基于酒精的燃料，如甲醇、乙醇和丁醇，由于具有减少温室气体排放的潜力以及与现有发动机技术的兼容性，已成为传统化石燃料的有希望的替代品[1]。这些燃料在内燃机中的性能在很大程度上取决于雾化过程——即液态燃料被分解成微小液滴并与空气混合——因为这直接影响到燃烧效率、功率输出和污染物生成[2]、[3]。因此，深入了解喷雾特性对于选择和优化替代燃料至关重要。最近在可再生燃料生产方面的进展，例如通过增强生物质的热解来生产能源[4]，进一步凸显了开发可持续、非化石燃料技术的广泛背景和重要性。
燃料喷雾特性受到燃料内在性质与外部环境条件之间复杂相互作用的影响。区分这些效应对于优化燃料使用和提高发动机性能至关重要，尤其是为了实现更低的排放。
燃料的物理化学性质，包括密度、粘度和表面张力，在塑造其喷雾行为和后续燃烧结果方面起着决定性作用。Wang等人[5]比较了直接喷射发动机中甲醇和柴油的蒸发喷雾特性，发现甲醇的较高蒸发潜热和较低沸点导致蒸发更快、液滴更细小，从而提高了燃烧效率并减少了排放。然而，他们指出甲醇在低温下的蒸发需要通过喷射器设计进一步优化。Yuan等人[6]研究了端口燃料喷射（PFI）发动机中的甲醇，发现其在60°C至90°C范围内的蒸发速率与汽油相似，但在此范围之外显著下降，由于其吸湿性，这给冷启动操作带来了复杂性。
Sun等人[7]进一步强调了燃料性质的影响，他们研究了五种具有不同十六烷值和挥发性的柴油燃料。他们的研究表明，燃料性质显著影响喷雾尖端穿透深度、锥角和投影面积，其中喷雾角度对投影面积有特别大的影响。他们得出结论，十六烷值较高且挥发性较好的燃料表现出更稳定的喷雾模式。
环境参数，特别是环境压力和温度，在喷雾形成过程中同样关键。An等人[8]在高压环境（20至50巴）下使用收敛-发散型燃油喷射系统研究了宏观喷雾特性。他们的工作强调了环境压力在优化喷雾角度、减少喷雾尖端穿透和最小化喷雾壁冲击方面的关键作用，从而改善了燃料-空气混合和燃烧效率。
Zhao等人[9]研究了包括异辛烷和乙醇在内的燃料在闪蒸沸腾条件下的喷雾行为。他们发现，燃料性质如蒸气压和蒸发潜热显著影响喷雾穿透深度和角度，即使在低闪蒸沸腾强度下，空气动力学破碎作用对于雾化也是必不可少的。Qiao等人[10]展示了替代燃料混合物的复杂燃烧行为，例如C3H8/H2混合物的爆炸动态，进一步强调了理解喷雾特性作为高效安全燃烧关键前提的重要性。
机器学习（ML）方法的集成为建模喷雾行为中固有的复杂非线性关系提供了强大的范式，这些关系用传统方法难以捕捉。Liu等人[11]证明人工神经网络（ANN）可以有效预测喷雾行为，确定了燃料粘度、密度和喷射压力是影响喷雾穿透深度的重要因素。在此基础上，随机森林（RF）算法等技术在分析综合燃料性质与环境因素之间的关系方面变得越来越重要。
Sadique Khan等人[12]通过引入新的工具来预测和优化喷雾特性，扩展了ML的应用，能够从实验数据中学习非线性特征，并显著降低了计算成本，相比传统模型。例如，Tian等人[11]使用ANN研究了辛醇添加对柴油喷雾的影响，发现喷雾穿透深度最初随辛醇浓度增加而减小，但在40%含量时与纯柴油相似。Cesur等人[13]也成功使用ANN准确预测了甲醇-汽油混合物在发动机中的性能，展示了ML处理复杂燃料混合物的潜力。Gao等人[14]回顾的液滴撞击和相互作用的热流行为为这些数据驱动模型旨在捕捉的物理现象提供了基础背景。
尽管取得了这些进展，但在系统应用机器学习来揭示多种酒精燃料混合物与环境条件之间的相互作用方面仍存在显著差距。大多数现有研究集中在单一燃料或简单混合物上，对于复杂酒精组合的喷雾特性研究不足[15]。虽然像ANN这样的ML模型显示出潜力[16]、[17]，但它们在量化参数重要性和预测不同操作环境下多种酒精燃料的喷雾行为方面的潜力尚未完全实现。
为了解决这一差距，本研究旨在使用综合实验和机器学习框架全面研究各种酒精燃料及其混合物的喷雾特性。具体目标如下：
- (1)
在不同环境压力和温度下，实验表征甲醇混合燃料、乙醇混合燃料以及几种纯酒精燃料的宏观喷雾特性（穿透深度、角度、面积）；
- (2)
利用随机森林模型量化燃料性质和环境条件对这些喷雾特性的影响；
- (3)
展示特征重要性分析如何指导模型优化并提高预测精度，从而支持更清洁、更高效酒精燃料发动机的喷嘴和燃烧室的逆向设计。
