随着高压燃油喷射,涡轮增压等先进技术在柴油机上的应用,柴油机缸内爆发压力和升功率不断提高,越来越高的热负荷和机械负荷对柴油机零部件的可靠性,耐久性提出更高的要求。为了预防活塞失效,保证活塞和柴油机的可靠性和耐久性,高负荷柴油机铝合金活塞普遍采用内冷油腔强制冷却。研究活塞内冷油腔流动传热不但可以为活塞油腔冷却优化设计提供理论依据,还能为活塞温度场的有限元分析提供较精确的边界条件和理论分析基础。因此,对柴油机活塞内冷油腔流动传热进行仿真和实验分析研究具有重要的的工程实际意义。目前活塞内冷油腔振荡流动冷却的CFD仿真分析方法还不成熟,国内外尚无商业化的动态油腔振荡传热实验台架以及统一的试验标准,本课题以某四缸高压共轨柴油机活塞内冷油腔为研究对象,建立了 CFD仿真模型,进行了内冷油腔仿真分析方法的研究;通过对国内外现有活塞内冷油腔相关实验台架的研究,结合CAD/CAE技术,相似理论,机械振动控制技术,PLC控制技术等对活塞内冷油腔可视化实验台架进行了自主设计研制,对实验台架的主体振荡机构,供油系统,动力系统,控制与测量系统进行了详细的开发设计。具体来说,首先,从CFD仿真开始,对活塞内冷油腔数值模拟分析方法进行了系统的研究,从数学模型(多相流模型等),到物理模型,动网格模型,以及湍流模型进行了系统的研究,并通过对比仿真结果,得出了关于活塞内冷油腔较为通用的CFD仿真分析方法。然后,鉴于油腔实验的需要和商业化油腔流动可视化实验台架的空白进行了内冷油腔振荡流动模拟实验台架的设计开发。本文中内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟试验台架,包括:主体振荡机构,动力系统,供油系统,控制与测量系统;其中:主体振荡机构是整个台架的核心部分,包括曲柄长度调节装置,可变曲柄连杆机构等,作用为将电机输出轴的旋转运动转化为直线往复运动,使透明油腔模型按活塞运动规律上下高速振荡。动力系统包括伺服电机及配套设备,电机动力输出端与曲轴连接,作用为向曲轴提供动力,并保证曲轴按指定转速稳定运转。供油系统作用为按设定的喷油压力,喷油位置向油腔进油口喷油,并对未喷入油腔进油口机油和从油腔出油口流出机油进行收集。其中喷油嘴可通过喷油嘴位置调节装置调节以对准油道模型机油入口,蓄压器对油泵泵入的机油进行稳压。控制与测量系统以工控机作为上位机,PLC作为下位机对电机转速,喷油压力,喷油流量和温度等进行测量和控制,并通过高速摄影设备记录机油流动状况及其他数据。通过仿真分析方法的研究以及活塞内冷油腔可视化实验台架的设计研制,明确了油腔振荡传热仿真分析方法,即几何模型采用全部实际流体域的完整模型,湍流模型采用k-ε模型,多相流使用VOF耦合LeveISet方法(CLSVOF),压力速度耦合采用PISO二阶精度,从而在计算成本一定情况下保证了较高的油腔计算模拟精度;更主要的是设计出了能实现油腔振荡情况可视化观察以及喷油效率精确测量的实验台架,为评价活塞内冷油腔振荡换热提供了实验依据。