近年来,车载重型发动机受市场和环境的压力冲击,其升功率的越来越高,排放要求越来越严格,再加上高涡轮增压、超高压喷油和精密智能控制等先进技术在发动机上的广泛应用,导致发动机缸盖等关键零部件的热负荷越来越高以至造成开裂破坏。过冷沸腾换热由于其具有较高的换热效率被逐步应用于高功率发动机的冷却系统。与传统的发动机冷却相比过冷沸腾流动换热能够促进缸盖温度的均匀分布,降低缸盖的热应力,提高组件使用耐久性,防止组件故障。然而过冷沸腾换热在发动机冷却系统中的发展尚不成熟,如果对沸腾控制不好极易形成过度沸腾甚至膜态沸腾,反而对关键零部件造成损坏。为了弄清过冷沸腾流动在发动机中的换热特性,以有效地利用并控制发动机缸盖中的过冷沸腾流动换热过程,亟需在简单通道中通过试验和仿真计算的手段探索过冷沸腾的换热特性,再逐步过渡到在实际发动机中探索过冷沸腾流动换热特性及其对发动机气缸盖温度场及应力场分布的影响。设计矩形截面底侧加热的沸腾试验平台,模拟发动机缸盖关键部位的冷却通道。通过调控通道结构尺寸、冷却系统压力、底侧加热功率和冷却介质种类、流动速度及温度来模拟发动机冷却参数及运行工况变化。使用热电偶测量加热块的温度,着重探讨以上参数变化对加热块表面温度、壁面换热热流及流动沸腾换热特性影响。并依据试验数据对叠加Chen模型进行修正和验证。等比例制作柴油机的透明模型,使用高速摄影机对缸盖关键部位的流动特征进行拍摄,使用MATLAB编程对拍摄图像进行图像数字处理以获得缸盖鼻梁区等关键部位的流场分布。使用Fluent软件计算缸盖冷却通道内的流场分布,将计算得到的特征位置的速度值与试验测量值进行对比分析。并以实际发动机的水腔壁面粗糙度及相应的运行工况条件做边界将该计算模型用于实际发动机冷却水腔内的流场计算,为缸盖的温度场及应力场的仿真计算提供理论依据。将发动机试验台进行相关改造,以实现对发动机缸盖的温度测量及对缸盖冷却通道内的流动沸腾可视化。在距离缸盖火力面3mm和8mm的位置加工安装热电偶,测量缸盖鼻梁区及喷油嘴附近的温度。并使用高速相机通过内窥镜对水腔内的沸腾现象进行拍摄,并将拍摄图像进行数字图像处理以获得拍摄范围内的平均空隙率。在发动机不同的运行工况下研究冷却水温度、流量和冷却循环系统压力变化对缸盖温度分布及平均空隙率的影响。以发动机一维工作过程仿真和试验测量值为依托,将发动机缸盖和冷却水腔内流体进行固液直接耦合,将缸内燃烧循环与缸盖固液区域进行顺序耦合,建立发动机缸盖气-固-液三相耦合仿真模型。分别将单相流对流换热模型、单相流沸腾换热模型和两相流沸腾换热模型嵌入缸盖与水腔的流固耦合计算,并将计算得到温度值与试验测量值进行对比以寻找发动机冷却水腔中准确的换热模型。采用寻找到的较为准确的流动换热模型计算缸盖温度场分布,基于计算结果使用Abaqus对缸盖进行应力分析找出缸盖中应力最大的部位及缸盖的应力分布。并进一步探讨了冷却水温度、冷却系统压力和冷却水流动速度三个冷却参数的变化对缸盖应力分布的影响,寻找最为可靠的方式利用并控制缸盖中的过冷沸腾过程以有效改善缸盖的应力分布。