当前,面对石化能源短缺和环境污染的双重压力,寻找可再生能源已成为全球研究的热点,以秸秆等农林废弃物制取生物燃油,既可以降低燃油成本,又可使废弃物得到资源化利用,但生物燃油具有热值低、含水含氧量高、酸性等特点,离大规模工业应用还有一段距离,然而,以超声波为外加能量,通过添加乳化剂和助乳剂的方式将生物燃油与柴油按一定比例混合,制成清洁环保的混合燃油,即可提高燃油热值,改善其物化特性,又可增加稳定性,但目前关于生物燃油乳化的研究多集中在乳化剂、助乳剂等乳化体系的选择上,针对超声控制参数的研究十分有限,并存在超声作用强度表征不一、优化结果差异甚远的现象,且从未针对超声激励波形展开过探讨,同时也缺少对影响乳化效果的多因素多指标的相关分析,更缺乏用于超声控制参数优化的试验设备和满足该乳化工艺参数的超声装置。本文在超声空化动力学分析基础上,设计了国内首台用于超声参数优化的试验装置,通过实验和模型分析的方法对生物燃油／柴油乳化工艺参数进行优化,同时对超声乳化作用机理进行研究,以期获知超声乳化装置的设计参数和运行条件,并应用以容器内含气泡液体介质为基础的驻波理论对中试装置进行优化设计,最后通过制取的生物燃油／柴油理化特性、稳定性及发动机台架实验分析对本文理论研究成果进行验证。本论文主要包含以下内容：通过超声空化机理分析,数值模拟超声场内空化泡的运动特性,通过建立含气泡生物燃油／柴油乳化液的声学模型和乳化液中气泡运动模型,提取出影响空化效应的主要超声参数,并首次将超声激励波形列入超声参数考察范围,综合考虑超声乳化设备与作用对象这两部分因素,提出以“反应容器内声功率密度”作为乳化液中超声作用强度的表征,以此为设计依据,研制国内首台适用于超声控制参数优化研究的试验装置,为将来同类和相关研究提供了一种新的实验仪器设备。以生物燃油／柴油超声乳化工艺的试验研究为手段,采用乳化油浊度值、油珠粒径和稳定时间的多目标优化方法对影响乳化效果的关键参数进行优化,首先,在正交试验及其分析基础上对最佳乳化体系参数进行综合优化；然后,通过响应面实验、优化并建立二阶回归模型,确定适合该反应体系的最优超声控制参数,优化的工艺参数为构建超声乳化装置的工作参数提供依据,同时,利用回归方程显著性分析,分别对各超声参数对乳化油浊度值、油珠粒径和稳定时间的因子贡献率进行研究。通过生物燃油／柴油超声乳化作用机理分析,得到超声作用强度高于空化阈值时,非线性超声空化是乳化反应的主要作用机理,同时也伴有机械作用,空化产生的高温高压、巨大剪切力和强烈冲击波对分子结构产生不可逆的损伤,促进燃油分子相互渗透,因此乳化效果好,稳定时间长。在生物燃油／柴油超声乳化工艺参数优化基础上,得到了超声乳化装置的设计参数和优化运行条件,通过建立换能器径向振动机电等效电路理论模型和包含容器形状因素在内的一维声传播方程,确定换能器谐振频率、有效机电耦合系数、几何尺寸及材料特性之间的关系,并应用驻波理论通过模型优化得出该装置的结构类型及对应的结构参数,依据此参数,成功研制一台有效容积49L的中试装置,并完成了与之配套的年产4000吨混合燃油的超声乳化生产线的设计工作,该装置能够有效验证本文理论研究成果的正确性,并为生物燃油与柴油乳化工艺的工业化生产奠定良好基础。制取的生物燃油／柴油与生物燃油、柴油进行理化特性、稳定性及柴油机应用特性的对比分析,结果表明：其理化特性明显优于生物燃油,稳定性显著提高并远高于国家车用柴油30d标准,柴油机燃用混合燃油的当量燃油消耗率与柴油持平或者略低,随着生物燃油掺入量的增大,节油率增加,柴油机NO和碳烟排放有很大幅度的降低,并伴随着生物燃油掺入量的增大而降低。本论文通过上述研究,基本确定以秸秆为原料的生物燃油与柴油进行超声乳化处理的工艺参数和乳化装置设计及运行时的关键参数,采用本论文的技术,可将制取的混合燃油的理化特性、稳定性大幅提高,同时从超声空化机理和超声空化动力学角度揭示了乳化过程中各因素的作用范围及响应规律,为超声乳化工艺及装置的优化研究提供理论基础。