面对日趋严格的发动机节能减排要求，发动机朝着高强度和高性能的方向不断发展，然而强化之后的发动机却面临着高热负荷的问题，气缸盖鼻梁等高温区域常因热应力较高而又冷却不足的原因产生疲劳失效问题，因此，发动机热负荷的控制对于发动机的设计和优化具有重要意义，而热负荷的控制又与发动机冷却水腔内的流动和传热状况密切相关。本文以一三缸发动机缸盖为研究对象，建立发动机和冷却水套的耦合模型，由于发动机冷却水腔内往往存在沸腾现象，因此考虑沸腾因素对传热的影响，通过CFD仿真进行冷却水腔内的流动和传热状况以及缸盖热负荷的研究，并根据研究结果对冷却水腔进行结构优化。本文的主要工作如下：

（1）发动机工作过程仿真模型的建立。运用GT-Power软件建立发动机工作过程仿真模型，得到气缸盖火力面、进排气道的换热系数和温度，并将其作为流固耦合仿真分析的热边界条件，通过将仿真分析得到的发动机外特性数据与试验台架数据的对比，以验证模型的准确性。

（2）发动机和水套的流固耦合传热研究。用Hypermesh软件和Star CCM+软件对耦合模型进行处理，并对最大扭矩点和最大功率点转速工况下的耦合模型进行求解，结果显示，发动机水套的进水口到出水口的压力损失值为41kPa，在合理的范围内，能够很好地满足冷却要求，而缸盖水套1缸和2缸排气侧鼻梁区区域冷却液平均流速低于0.5m/s，不能满足该区域的冷却要求，对应区域的对流换热系数较小，并且缸盖1缸和2缸排气侧鼻梁区域温度较高。

（3）考虑沸腾因素的缸盖水腔内流动与传热的研究。利用流体仿真软件Star CCM+对最大扭矩点和最大功率点转速工况下的发动机和水套的耦合模型进行求解，对缸盖温度场、换热系数分布和缸盖中的空泡份额分布等进行研究分析。研究结果表面，沸腾现象的存在使得高温区域水腔壁面对流换热系数增大，并且使得缸盖排气门鼻梁区域和排气道区域温度降低10K左右。缸盖温度场试验验证了沸腾模型的准确性以及沸腾因素对缸盖水腔传热的影响。

（4）冷却水套结构优化。考虑到缸盖1缸和2缸排气门鼻梁区域冷却不足，通过改变气缸垫上的水孔的截面积和增加上水孔的方式对水套进行结构优化。优化结果显示，1缸和2缸区域靠近排气门鼻梁区域的水套冷却液平均流速在0.5m/s以上，能够满足排气门鼻梁区域的冷却要求。

关键词：缸盖水腔；流固耦合；沸腾；缸盖鼻梁区；结构优化