随着内燃机向高强化、紧凑化、轻量化方向发展,活塞作为内燃机工作条件最恶劣的受热零部件之一,其承受的热负荷越来越高,因热疲劳导致的可靠性问题日益显著。内冷油腔振荡传热作为一种非常高效的强化传热方式,可以有效应对内燃机活塞日益严重的热负荷问题,但内冷油腔振荡传热机理还不完全清楚,现存的经验公式不能满足现代内燃机开发的需要,在一定程度上制约了内冷油腔传热性能的提升。为此,采用理论解析、数值模拟和试验研究相结合的方法对内冷油腔气液两相流振荡流动与传热进行系统研究。为降低活塞热负荷、满足未来更高强化柴油机活塞内冷油腔的振荡传热性能需求提供参考。主要研究内容如下:(1)柴油机活塞内冷油腔振荡流动与传热模拟仿真模型研究将内冷油腔流体域拆分为射流段和振荡段,建立了一种虚拟射流数学模型来描述射流段的气液两相流动,提出了一种相对位移法的数值模型建模方法。通过与现有仿真方法对比证明,该方法不仅能保证与现有完整仿真模型同等计算精度,大幅度提升计算效率;相对于现有简化模型,不仅大大缩短了计算时间,还能获得更高的精度。(2)活塞内冷油腔振荡流动与传热模拟试验装备的研发与试验研究将内冷油腔振荡流动与传热过程拆分为纯振荡流动过程与传热过程。采用相似原理分别建立了内冷油腔的振荡流动与振荡传热相似模型,自主研发了活塞内冷油腔振荡流动与传热试验装备。分析试验结果发现,机油温度对内冷油腔的振荡传热影响最大,占65.3%。采用共轭传热的方法,试验测试结果与仿真预测结果有相同的变化趋势,且相对位移法的预测误差低于20%。(3)活塞内冷油腔振荡流动与传热特性研究采用数值仿真方法研究了周期性冲击载荷、发动机转速与喷油角度、机油喷嘴出口直径以及喷油压力等喷油参数对内冷油腔内气液两相流振荡流动与传热性能的影响关系和变化规律,研究发现:二阶运动对内冷油腔内两相流瞬态流动与瞬态传热性能有较大影响,最大影响幅值为24.9%,但对内燃机循环周期内的内冷油腔稳态传热性能影响很小,影响幅值小于1%,可以忽略不计;发动机转速会影响内冷油腔内机油填充率和换热效率,随着发动机转速增加,内冷油腔机油填充率降低,但内冷油腔壁面换热系数增加;机油喷射角度、喷油嘴出口直径和喷射压力对内冷油腔内机油雷诺数影响较小,但会明显改变内冷油腔传热性能。(4)内冷油腔振荡传热特性优化研究以表征内冷油腔振荡传热性能的活塞最大热应力和最高温度为优化目标,以活塞边界为内冷油腔几何结构的约束边界,引入了支持向量机与NSGA-II多目标优化算法,建立了内冷油腔振荡传热性能多目标优化数学模型,获得了油腔结构的Pareto最优解集。通过聚类算法选取了三个设计方案与内冷油腔原设计方案进行对比分析,研究结果表明,内冷油腔壁面远离环槽区域、减少内冷油腔的截面积可降低活塞的最大热应力,最多可降低8.7MPa。内冷油腔壁面靠近活塞燃烧室底部与活塞内腔顶部、增加内冷油腔截面面积可以增强其振荡传热性能,降低活塞的最高温度,最多可降低10.2 ℃。