伴随着发动机对排放以及功率密度要求的不断提升,活塞承受着高热负荷、高机械负荷的问题日渐凸显。内冷油腔振荡换热作为一种非常高效的活塞冷却方式,在目前发动机设计高速化、高功率化和增压化的趋势下具有非常广阔的应用前景。由于活塞模型的复杂性与差异性,在数值模拟中使用的模型千差万别,并且模拟结果难以得到可靠的验证,振荡两相流传热问题尚未有共性、机理性结论。本研究设计搭建了内冷油腔可视化振荡试验台,加工与实际发动机活塞内冷油腔结构一致的透明试验件以及金属试验件,前者用于可视化试验以及机油捕捉率测量,后者用于研究温度场的分布情况;同时进行了数值模拟计算,将其结果与试验数据进行对比校验,以验证数值模拟方法的准确性;针对活塞工作过程提出可行的结构优化设计方案,应用验证后的数值模拟方法对优化设计方案进行评估,以此研究内冷油腔结构与其换热能力的影响关系,从而为活塞内冷油腔结构的设计提供方向。通过试验与数值模拟的结果对比,在机油捕捉率和壁面换热系数上,两者的统一性较好(捕捉率最大误差为8.4%,换热系数最大误差8.5%),并且在振荡流动形态上两者也捕捉到较多的共性特征,因此当前所用仿真方法可作为进一步研究的手段,用以分析其他试验无法到达的工况的研究分析;对试验中强制振荡流动中的层流、湍流的过渡区间进行讨论,确证转速1858r/min时的实机内部流动与转速600r/min时的试验内部流动一样处于强湍流状态,所以试验所标定的数值模拟计算方法可以应用于实机工况下内冷油腔中的振荡换热过程模拟分析;对内冷油腔进行了优化分析,对比三种不同内冷油腔结构模型,在分析过程中采用速度分解法,发现内冷油腔中机油振荡时的近壁面周向速度决定了内冷油腔换热能力的强弱,因此在设计内冷油腔结构时,其截面腰线需要进行匹配设计,改变腰线形状,提高油腔中机油绕壁周向输运速度,使机油在腔内达到一个最优的运动过程。