随着节能减排要求的不断提升,内燃机缸内爆发压力越来越高。缸盖直接面对燃烧产生的爆发压力和热负荷冲击,是内燃机中工作条件最为恶劣的关键部件之一,缸盖的开发技术面临越来越严峻的挑战,需要更深入的基础理论支撑技术的发展。理论和试验表明,缸盖水腔在火力板上面的鼻梁区存在过冷流动沸腾传热现象,高功率密度和高爆发压力的内燃机,其缸盖水腔内的沸腾传热现象就更加突出。然而沸腾换热机理复杂,影响因素众多,目前针对沸腾换热的认识尚不能完全统一。因此,针对发动机水腔内的过冷沸腾换热机理研究,对高功率密度发动机开发设计具有重要意义。根据发动机水腔沸腾传热的特点,搭建了规则通道沸腾换热试验台。试验选用发动机常用冷却液50/50体积配比乙二醇与水混合液为工质,加热面选用发动机缸盖常用材料铝和铸铁制成。试验研究了冷却液温度、流速、压力和加热面材料对过冷流动沸腾换热特性的影响。结果表明:在单相对流换热和部分发展沸腾阶段,降低冷却液温度和提高流速能增加壁面换热量;但在充分发展沸腾阶段,冷却液温度和流速的影响因素作用消失。提升系统压力,会对沸腾产生抑制作用,使得沸腾起始点推迟。对于所研究的铝和铸铁加热面,上述冷却液运行工况对其沸腾换热特性的影响规律类似。但在相同试验工况下,铸铁加热面的沸腾换热量要小于铝加热面,其主要为加热面材料的热物性参数差异所导致。本研究将Chen模型和三种非线性叠加沸腾换热模型的预测值与试验值进行对比,发现在高热流密度区域,上述模型预测值偏差较大,最大偏差高于±30%。基于此,本研究对非线性叠加沸腾换热模型进行了优化,在其核态沸腾换热项中增加了加热面热物性参数影响因子,并根据试验数据对公式参数进行重新拟合。优化后公式能合理反映冷却液运行工况及加热面热物性参数对沸腾换热的影响,与试验值相比,最大偏差在±20%以内,平均偏差为8.19%,能为发动机缸盖水腔沸腾换热预测提供依据。基于单相均质沸腾换热模型的思想,通过理论分析和数学推导,对空间任意微元体控制单元内的质量含气率进行推导,建立了守恒的质量含气率的控制方程。根据可视化沸腾换热试验结果,对沸腾过程中气泡冷凝换热规律进行了研究,在原有的气泡冷凝换热系数公式基础上进行了优化,并基于优化后的公式对均质沸腾换热模型的冷凝源项进行了推导。所建立模型通过计算语言汇编后,能方便嵌入CFD计算软件中,实现在整个流场范围与其他单相流控制方程一起求解。根据质量含气率与空泡份额的关系,可以间接得出流场中气泡的分布,能直观地获得流场中两相沸腾传热的状况。经过试验数据验证,所建立的均质沸腾模型能准确预测加热壁面沸腾换热热流密度,能较为精确预测通道内空泡份额的分布。采用一维工作仿真软件提供缸内气侧的边界条件;用上述单相均质沸腾换热模型对水侧换热进行计算;通过python语言汇编的程序实现流体和固体计算结果在流固耦合面上的相互信息传递,建立了缸套固体导热和冷却水套沸腾流动换热的流固耦合仿真分析模型。缸套测温试验结果表明,该模型有较高的精度,模拟计算值与试验值的最大偏差为1.65%。采用流固耦合的计算手段,对某OPOC发动机水腔流动换热特性进行了研究。研究表明,由于OPOC发动机水套螺旋肋片的作用,水腔内肋片间的区域存在二次流现象,增强了对流换热性能。增加水腔螺旋肋片的螺距能增强换热,降低缸套最高温度,但同时会增大水腔进出的口压差。在高功率密度工况下,冷却水腔内存在沸腾换热现象。