众所周知,活塞在柴油机中起着至关重要的作用,它直接连接燃烧室。活塞不仅需要承受在燃烧过程中高温和大热梯度所引起的热负荷,又需要承受气体压力和往复运动所引起的机械负荷。从而活塞的热疲劳损坏引起的可靠性问题已成为日益突出的问题。内冷油腔是广泛使用的活塞冷却方法之一,可以有效的降低活塞的热疲劳,但油腔的换热性能受到结构、位置以及转速等因素影响。因此,应该重视活塞内冷油腔的冷却设计,设计是否满足冷却需要,需要对内冷油腔展开深入的探究。本文利用内冷油腔振荡流动的可视化实验台架获得实验结果来验证仿真分析的精确性,分析了在不同发动机转速和不同填充率下矩形透明空腔内冷却介质的振荡流动特性的差异。然后,针对活塞不同特征区域的冷却需要,开展了多目标的可控热状态优化的研究,最后,考虑到进排气对活塞温度场分布的影响,基于内冷油腔的截面形状优化结果,设计三种变截面内冷油腔,对比分析了变截面内冷油腔和普通内冷油腔换热效果差异。主要研究内容如下:（1）利用矩形透明空腔模型代替内冷油腔模型,分别对矩形透明空腔内两相流的振荡流动特性开展了可视化实验分析和数值分析研究,获得了两相流的振荡流动形态,对比了转速和填充率对矩形透明空腔内两相流流动形态的影响。研究结果表明:仿真结果与实验结果对比分析可知,矩形透明空腔内两相流振荡流动形态基本一致,说明数值仿真分析的结果具有可信性。在低转速下,两相流振荡效果差,从而影响着换热效果;而高转速下,气液两相流直接地、不断地、快速地撞击着空腔的顶面和底面,增加换热。过高和过低的填充率,都会影响两相流振荡换热性能,50%的填充率可以获得最佳的振荡换热性能。（2）基于活塞某些局部区域的冷却需要,提出了一种可控的热态设计方法。通过多目标优化技术描述了活塞内冷油腔的局部热状态。研究结果表明:活塞的温度、温度梯度以及第一环区温度的回归模型决定系数均大于0.95,表明SVR（Support Vector Machine for Regression）模型预测结果与仿真结果非常吻合。SVR模型能够预测具有不同结构参数的冷却通道活塞的冷却性能,节省计算成本。活塞第一环区温度有效地控制,相对于原模型,第一环区温度最大相对减少量为4.48%。在三种典型解中,方案B是方案A和方案C之间的折衷方案,方案B是可以充分满足三个优化目标的设计方案,（3）利用相对位移法,建立变截面内冷油腔仿真模型。研究了普通形内冷油腔和三种变截面内冷油腔的振荡流动特性和换热特性差异。研究结果表明:对比内冷油腔壁面的瞬时平均换热系可知,三种变截面内冷油腔的换热性能均是优于普通形内冷油腔,且可以满足活塞高温排气侧更为严格的冷却需求。为活塞不同区域的冷却需要,提供了一种新内冷油腔的设计思路。