随着现代内燃机强化程度的提高,零部件的工作环境越来越恶化,因此对强化内燃机中流动、传热与热负荷的研究需求也日益增多。为了深入地研究内燃机中的流动、传热及零部件的热负荷问题,本文以495ZLQ柴油机为研究对象,将缸内传热、受热零部件导热及冷却系统的流动与传热过程整体耦合在一起进行了内燃机传热全仿真模拟与试验研究。本文在冷却液的沸腾传热、流-固耦合传热以及受热零部件的热-机械耦合应力分析等方面展开大量细致的研究工作,主要内容如下:　　 (1)从单相流CFD分析出发研究了两种适合内燃机冷却水腔内流动沸腾传热计算的思路:分区描述法和叠加计算法。提出了基于分区描述法的沸腾模型A和沸腾模型B；对基于叠加计算法的Chen沸腾模型和BDL沸腾模型进行了修正处理。将这些沸腾传热模型以用户子程序的方式嵌入到商用CFD软件SC/Tetra中,从而实现了对内燃机冷却水腔内复杂传热过程更为精确的模拟。　　 (2)利用沸腾传热子程序对简化的缸盖鼻梁区水腔流道进行沸腾传热计算,并与试验结果进行对比分析,得出了用于冷却水腔内沸腾传热计算的最佳数学模型组合,从流动参数和结构参数两方面分析了影响沸腾传热性能的主要因素,为合理地评价与设计内燃机冷却水腔的结构提供理论依据。　　 (3)采用直接耦合法建立了495ZLQ柴油机机体-缸盖-缸套-缸垫-冷却水腔的三维流-固耦合模型。提出了利用内燃机工作过程仿真和台架性能试验相结合的方法来确定流-固耦合传热计算时燃气侧的传热边界条件。分别进行了考虑沸腾传热和不考虑沸腾传热的计算,得到了冷却水腔内速度、压力、传热系数以及主要受热零部件的温度分布情况。通过对比分析可知,沸腾传热因素对冷却水腔内流动和压力分布的影响很小,但对水腔内的传热影响较大,不可忽略。　　 (4)通过对4105QF柴油机的温度场实测数据与模拟结果进行比较,验证了内燃机流-固耦合传热分析的建模方法、所采用的数学模型(湍流模型、沸腾传热模型等)以及边界条件的处理方法的可行性和准确性。在此基础上,根据495ZLQ柴油机流-固耦合传热计算结果对其水腔结构进行优化改进,提出三种改进方案并进行模拟计算,其中改进方案3最终被确定为较为理想的改进方案。　　 (5)阐述了内燃机热-机械耦合应力分析的主要数值解法,提出弱耦合分析法下3种数据传递的方法,开发了CFD软件SC/Tetra与有限元分析软件ANSYS之间的接口程序,以实现稳态温度场的映射过程。　　 (6)建立了机体-缸盖-缸垫-缸套-飞轮壳-主轴承盖-各紧固螺栓的495ZLQ柴油机组件有限元模型,并采用体映射法将考虑沸腾传热的稳态温度场结果映射到该有限元模型中。分别计算了柴油机组件在预紧和工作工况下的应力与变形情况。预紧工况下钢质气缸垫的压力分布结果与试验结果吻合较好,证明了该组件有限元模型的准确性。在此基础上,提出了一系列新的用于评价气缸套、机体等零部件变形的评价指标,利用这些评价指标对受热零部件在机械载荷和温度载荷共同作用下的应力与变形情况进行了详细的分析。计算结果表明,由温度载荷引起的热应力对柴油机结构强度和刚度有着很大的影响。