斯特林发动机具备出色的高效低排放特性,特别是其振动噪声小,能源适应性广,具有广阔的应用前景。在国家自然科学基金的资助下(资助号50776083),本文试验研究了斯特林发动机喷雾的宏观与微观特性。搭建了喷雾试验台架,采用压力涡流喷嘴,在燃烧室背压条件下标定喷射压力和燃油流量关系的基础上,研究了斯特林发动机的喷雾特性,并系统研究了燃油流量、环境气体压力、背景介质、喷嘴结构参数以及燃料的物性对斯特林发动机喷雾特性的影响。本文的主要研究工作可以归纳为以下三个方面:(1)喷雾宏观特性研究采用高速摄影技术比较研究了不同条件下斯特林发动机的喷雾发展过程,并分析了燃油流量、燃烧室背压、环境气体、喷嘴参数以及燃料物性参数对斯特林发动机喷雾宏观特性的影响。结果表明:①随着流量的增大,贯穿距离和喷雾锥角都增大;②随着燃烧室背压加大,喷雾的贯穿距离增大,喷雾锥角减小,当背压大到一定程度后,它对喷雾锥角的影响程度降低;③燃烧室内气体密度增大会导致喷雾锥角缩小,等效压力下,喷雾的贯穿距离和喷雾锥角变化不大;④相同流量工况下,W-2喷嘴喷雾的贯穿距离比W-1喷嘴喷雾要大,喷雾锥角更小;⑤在相同喷嘴、背压和燃油流量的条件下,低粘度的燃料具有更大的喷雾锥角和较小的喷雾贯穿距离。(2)喷雾微观粒径的FAM测量与分析采用FAM激光测粒技术比较并分析了燃油流量、燃烧室背压、环境气体、喷嘴参数和燃料物性参数对斯特林发动机喷雾微观粒径特性的影响,并测量分析了空间不同位置喷雾平均粒径的分布。结果表明:①随着流量的增大,喷雾的粒径分布更集中,同时喷雾索特平均直径也减小;②随着燃烧室背压加大,喷雾的粒径分布更集中,索特平均直径也减小;③相同背压下,分子量小的环境气体,喷雾的粒径分布更集中,但平均粒径大,分子量大的气体,喷雾的粒径分布范围宽,但平均粒径小;④W-2喷嘴使得喷雾粒径分布集中,索特平均直径比W-1喷嘴的要小;⑤高粘度的燃料喷雾粒径随着燃油流量的增大而减小,而低粘度的燃料喷雾粒径会随着燃油流量的增大而略微增大,在高背压情况下,二甲醚的喷雾粒径急剧增大,并随着燃油流量的增大而减小;⑥在整个喷雾结构中,越靠近喷嘴的地方,喷雾粒径分布值越集中,索特平均直径越小。(3)喷雾微观流场的PIV测量与分析采用PIV粒子测速技术比较并分析了燃油流量、燃烧室背压,喷嘴参数对斯特林发动机喷雾微观流动特性的影响。结果表明:①随着流量的增大,喷雾粒子运动的平均速度增大,雾化区域相对更加集中在燃烧室的上部分区域;②喷雾粒子靠着中心轴附近的速度高,外围的速度低,速度场基本对称的基础上向一侧(右侧)偏移,流量增大到一定量后,速度场的对称性要好于低流量时;③背压提升会使喷雾中粒子的运动速度减慢;④采用W-2喷嘴时,喷雾中粒子的运动速度要明显高于W-1喷嘴的喷雾,而且喷雾中粒子的速度分布较W-1喷雾更均匀。本研究工作在各种环境背压下展开,为了解斯特林发动机的燃气混合状况,以及进一步优化斯特林发动机的燃烧与性能做出了大量有益的工作,具有良好的理论价值及工程应用价值。