内燃机在运转过程中涉及复杂的传热过程，这种热的传递在很大程度上主宰着内燃机的动力性、经济性、排放性、可靠性以及其他各项重要的经济技术指标。因此，传热研究在内燃机整机的研究与开发过程中占有重要地位，是其中最根本也是最重要的环节之一。不论是内燃机结构设计，还是性能分析，都与内燃机的传热及热负荷存在重要的关系，特别是内燃机燃烧室零部件的传热以及热负荷问题，是内燃机设计成败的关键性问题。为了研究内燃机零部件的热负荷，保证其工作的可靠性，有效的技术途径就是根据传热学和流体动力学的理论，优化内燃机冷却系统的设计，解决好受热件的冷却问题。

近年来，随着汽车工业的发展，能源危机的不断加剧，排放法规的日益严格，对内燃机的动力性、经济性和排放性提出了越来越高的要求。内燃机向着高强度、高性能方向发展，它的各项强化指标不断提高，必然带来其它一些负面的影响，比如加重了燃烧室周围零部件的热负荷，使其工作温度超过材料所能承受的温度。因此，对内燃机传热过程的研究有着重要意义。

目前虽然在内燃机的研究中积累了很多设计经验、工艺方法和试验手段，但实验分析法需要投入的人力物力大，周期长，尤其是在做一些耐久性实验时更是如此，并且对于像内燃机缸盖、缸体这样的结构和受力状态都很复杂的部件来说，要取得结构和性能方面的全面、详细、准确可靠的论证分析是一件比较复杂的工作。随着计算机技术的飞速发展，计算速度和精度不断提高，数值模拟技术在内燃机的研究中得到了充分而广泛的应用。通过数值模拟技术对发动机冷却系统的流场和受热零部件温度场进行模拟研究，综合评价冷却系统的冷却能力和受热部件的热负荷状况，并提出优化改进方案，不仅可以大大降低研究费用，节省人力、物力，缩短开发周期，而且通过计算还能够获得一些实验不能测量或难以测量的结果。

国内外研究现状如下：自2002年，Sateesh Makkapati等人采用实验与数值计算相结合的技术方案对某一款发动机进行了冷却水套的流场分析，肯定了CFD模拟技术在发动机性能分析的作用。Ahmed等人在某一工程湍流模拟与测量国际会议后发表了汽车行业中的湍流模型方面的文章，CFD在汽车行业中的应用开始推广。国内在同期也开展了CFD在汽车行业的应用研究，广泛应用于发动机冷却水套与温度场分析。2006年李迎等对活塞组-缸套-冷却水-机体进行流固耦合分析，2007年武汉理工大学的李佑长等人采用CFD分析方法并从流固耦合的角度研究了四缸柴油机的缸盖传热问题。还有不少论文针对某一款发动机进行冷却水套的分析和结构优化，如2014年北京理工大学的刘福水等人针对柴油机冷却水套提出了一套结构优化方案，引入流阻图的概念，通过改变上水孔孔径合理分配各缸流量，使得冷却效果得到明显改善。

近五年来国内外在发动机热流场模拟领域发表的文章研究对象主要在于柴油机，特别是涡轮增压柴油机，大多引入了核沸腾，相变等模型，并考虑了不同工况下冷却水套的分析，仿真结果更加贴近现实情况。研究对象也慢慢扩展到发动机零部件在热-机械负荷下的疲劳应力的分析。如Stefano Fontanesi于2013年发表的论文文中引入了热-机械负荷，讨论了考虑相变因素的冷却水套基于CFD-FEM对汽缸盖的分析。

2. 研究的基本内容与方案

研究对象为发动机的冷却水套，冷却水套的作用是在发动机运行状态进行强制冷却，通过水循环减少各零部件的热负荷，使零部件温度处于正常的范围之内。对于冷却水套中的冷却介质的流动分析就必不可少，对于发动机零部件热负荷的分析则需要传热分析工具。结构上可分为纯流动分析和流固耦合热应力分析两部分。

1. 1.纯流动分析：在流场分析CFD方法的指导下，对所研究的冷却水套模型进行前处理，包括网格划分、合理选择物理模型和设置边界条件。进而利用有限元软件Star-CCM 计算获得其流场信息。包括流线分布，重要界面的流速分布，压力分布，还可以得到流固界面的换热系数分布。

2. 2.缸垫结构优化：在第一步纯流动分析的基础上，对缸垫进行上水孔的布置优化，使得流场分布更加合理，以改善冷却条件。