随着发动机往高紧凑，高功率方向发展，发动机的热负荷越来越高，尤其缸盖等一些部件面临热负荷的挑战越来越严峻，因此会出现缸盖开裂等问题，而在缸盖设计中，如何准确的预测缸盖内的传热是现在缸盖设计中急需面对的问题，由于缸盖水套内有局部沸腾现象，这增加了缸盖传热的计算难度，基于该应用背景，本文开展了基于汽泡行为动力学的沸腾传热研究。
　　针对发动机缸盖内的冷却通道设计了一个水动力相似的矩形通道实验段，建立了一个过冷流动沸腾可视化实验循环装置，提出了基于汽泡追踪算法的汽化核心密度和汽泡脱离频率测量方法。研究发现，加热面上的汽化核心密度和汽泡脱离频率主要受系统压力和壁面过热度的影响，建立了汽化核心密度和汽泡脱离频率的经验模型，其中新建的汽化核心密度的模型预测值与实验值的平均相对误差为25.27%，新建的汽泡脱离频率的模型预测值与实验值的平均相对误差为21.25%。
　　实验发现，有大量汽泡在浮升远离加热面之前出现了沿壁面滑移现象；在汽泡脱离时刻的汽泡接触直径是脱离直径的0.4027倍；本文发展了汽泡脱离直径和浮升直径的力平衡模型，该模型的预测值与实验值吻合一致；还建立了汽泡脱离直径和浮升直径的经验模型，其中汽泡脱离直径的经验模型预测值与实验值的平均相对误差为12.08%，汽泡浮升直径的经验模型预测值与实验值的平均相对误差为6.8%。
　　在单汽泡生长及其传热研究中发现，本文建立的汽泡生长模型可以很准确的模拟出池沸腾和过冷流动沸腾中的汽泡生长过程；汽泡的生长主要来自微液层及过热层的蒸发，其中微液层的蒸发占比高达50%，甚至更高，而汽泡初期的快速生长主要是由于微液层的快速蒸发；还发现，过冷流动沸腾中的汽泡底部的温度及微液层厚度的变化规律与池沸腾不同，在过冷流动沸腾中，汽泡底部的上游位置和下游位置的壁面温度不一致；微液层厚度也有同样的现象，微液层的上游区域比下游区域先消失，这也是导致底部的上游和下游位置的壁面温度不同的原因。
　　建立了新壁面热流分区模型，将壁面传热划分为对流传热、蒸发传热、瞬态激冷传热以及滑移传热。以双流体模型为框架，并引入了群体平衡模型来模拟汽泡的聚合和破碎情况，建立基于新壁面热流分区模型的双流体仿真方法。研究发现新壁面热流分区模型预测的壁面热流密度与实验结果偏差均在20%以内，而原RPI模型相比于新壁面热流分区模型的预测值要偏小；该模型可以准确预测出Lee实验中的空泡率和索特平均直径等两相流参数，验证了该模型在两相流仿真方面的可靠性。
　　建立了发动机缸盖多场顺序耦合策略，通过720℃A的热流密度时间平均，为缸盖的流固耦合计算提供热边界；并在流固耦合界面引入壁面热流分区模型，收敛后的流固耦合模型再为缸内燃烧提供热边界，完成缸盖与缸内燃烧的顺序耦合过程。研究发现，考虑沸腾的新壁面热流分区模型比不考虑沸腾的预测值更加接近实验值，新壁面热流分区预测的测点温度值与测量值偏差均在5%以内。缸盖沸腾区域主要集中在火力面附近和排气道附近的水腔通道内，在火力面附近通道内的瞬态激冷传热和滑移传热占的比例比较高。在两相流分析中发现该6缸柴油机缸盖水套内的整体沸腾比较弱，火力面附近的通道的空泡率最高(为0.11)，由于排气道附近的冷却水腔内的水流速较低，空泡率也比较大。
　　本论文的实验研究为汽泡行为与壁面传热的关联提供数据支撑，新建的汽泡生长模型和壁面热流分区模型为过冷流动沸腾在缸盖水腔内的应用提供理论支撑，本文研究方法和研究结果在发动机先进冷却系统的设计及优化中，发挥重要的指导作用和拥有实际应用价值。