为满足现代社会对发动机节能减排日益严格的要求,发动机不断向高增压、高压缩比的方向发展,然而几乎所有的高功率密度发动机都面临着热负荷的问题,在气缸盖鼻梁区、喷油器孔等热应力较高位置极易发生疲劳损坏。因此,在现代发动机设计和优化过程中,对发动机冷却系统传热状态的精确预测和热负荷的合理控制具有重要意义。本文以柴油机气缸盖为研究对象,建立了考虑冷却液沸腾传热的多场耦合模型,开展了关于冷却水腔流动与传热及缸盖热负荷的研究,在此基础上对冷却水腔的结构进行了优化设计。主要工作如下：首先,考虑到发动机冷却液流场、缸内燃烧与进排气、缸盖固体温度场等物理场之间的交互作用,并基于单相流沸腾换热模型,建立了柴油机缸盖的沸腾传热多场耦合模型。在此基础上,以TBD-226B型柴油机为研究对象,应用沸腾传热多场耦合模型对其进行了三维数值模拟计算,并在自行设计搭建的测温系统试验台上,分别采用硬度塞和热电偶进行缸盖火力面和冷却水腔壁面的温度测量,通过数值模拟与试验研究相结合的方法来验证本文所建立的计算模型的准确性和适用性。其次,以某高强度六缸柴油机为研究对象,建立了该型柴油机冷却系统的CFD计算模型,通过Fluent软件进行了冷却系统流动与传热的数值模拟计算,并基于单相流沸腾传热模型计算分析了沸腾传热对冷却液换热效果的影响。随后对该型柴油机的缸内工作过程进行了瞬态模拟计算,建立了包括冷却水腔流动系统、缸内燃烧系统、缸盖固体导热系统的多场耦合仿真模型,开展了对缸盖热负荷的计算研究,并评价了沸腾换热对缸盖高热负荷的影响。在此基础上,将缸盖温度场计算结果与缸盖火力面测温结果相对比,验证了数值模拟的准确性,为缸盖的优化设计提供了依据。最后,基于正交设计方法,选择缸盖冷却水腔上水孔作为优化主体,确定了9种优化设计方案,通过对不同指标的综合评价分析得到了最佳优化方案,并通过与原机流场和温度场的对比分析,表明优化方案有效增强了冷却液的换热能力,降低了缸盖热负荷。