散熱筋結(jié)構(gòu)對(duì)列車制動(dòng)盤對(duì)流換熱系數(shù)的影響分析

王 欣，王國權(quán)，陳 勇

(1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100192)

0 引言

高速列車作為一種高效快捷的交通工具，制動(dòng)器是保障其安全性能的一個(gè)關(guān)鍵裝置。對(duì)于依靠摩擦方式將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的制動(dòng)器，其機(jī)械結(jié)構(gòu)、制動(dòng)工況、制動(dòng)過程中摩擦偶件(制動(dòng)盤和摩擦片)的溫升都會(huì)影響列車制動(dòng)效能的穩(wěn)定性。在制動(dòng)過程中，摩擦偶件溫升如果超出規(guī)定范圍，就會(huì)危及列車的制動(dòng)性能甚至引發(fā)交通事故。在規(guī)定的制動(dòng)工況下，制動(dòng)盤的溫升是影響列車制動(dòng)性能穩(wěn)定性的重要因素。提高制動(dòng)盤的散熱性能，降低制動(dòng)盤的溫升是制動(dòng)器設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。目前主流的高速列車制動(dòng)盤有通風(fēng)式制動(dòng)盤和實(shí)心盤兩類。由于通風(fēng)式制動(dòng)盤的制動(dòng)熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于實(shí)心盤，其在高速列車制動(dòng)器中的應(yīng)用越來越普及。

通風(fēng)盤式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)盤的散熱有傳導(dǎo)散熱、對(duì)流散熱和輻射散熱3種方式。穩(wěn)態(tài)條件下對(duì)流換熱散失的熱量占制動(dòng)器摩擦生熱總量的70%以上[1]，制動(dòng)盤散熱筋的結(jié)構(gòu)和布局不僅對(duì)制動(dòng)盤的剛度和強(qiáng)度有影響，還決定了制動(dòng)盤周圍空氣的導(dǎo)入和流出，決定了制動(dòng)盤的散熱效果，優(yōu)化通風(fēng)式制動(dòng)盤散熱筋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和布局，對(duì)通風(fēng)式制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的意義。

理論分析、數(shù)值計(jì)算仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法是目前分析復(fù)雜對(duì)流換熱問題的主要方法[2]。文獻(xiàn)[1]通過MPCCI數(shù)據(jù)交換平臺(tái)實(shí)現(xiàn)固體模型與流體模型求解器的同步迭代和耦合求解，得出了耦合面溫度和應(yīng)力及對(duì)流換熱系數(shù)的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[3]采用CFD數(shù)值模擬方法，對(duì)改進(jìn)后的制動(dòng)盤類型進(jìn)行散熱分析比較，探索筋板的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)散熱特性的影響。文獻(xiàn)[4]通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了X型通風(fēng)盤在改進(jìn)設(shè)計(jì)后的散熱特性，分析結(jié)果表明這種新型制動(dòng)盤比初級(jí)X型制動(dòng)盤具有更好的熱均勻性和更好的冷卻能力。文獻(xiàn)[5]建立了一個(gè)類似流動(dòng)的實(shí)際制動(dòng)盤的工作狀態(tài)，分析局部和平均對(duì)流換熱系數(shù)，使用熱/質(zhì)量傳遞類比法得出制動(dòng)盤與車輪直徑比決定了制動(dòng)盤外表面的對(duì)流換熱特性。

本文使用數(shù)值仿真分析了列車在勻減速制動(dòng)時(shí)3種散熱筋結(jié)構(gòu)的通風(fēng)式制動(dòng)盤流場(chǎng)流線速度的變化和平均對(duì)流系數(shù)的變化，討論了制動(dòng)盤面的平均對(duì)流換熱系數(shù)變化和高溫區(qū)域的換熱系數(shù)，得到了通風(fēng)式制動(dòng)盤溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，為通風(fēng)式制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 制動(dòng)盤對(duì)流換熱的數(shù)學(xué)描述

高速列車在勻減速制動(dòng)時(shí)，摩擦偶件產(chǎn)生的熱量通過制動(dòng)盤和摩擦片的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射等3種散熱方式散失到環(huán)境中，對(duì)流換熱是主要的散熱方式。對(duì)流換熱是流體與固體表面之間的熱量傳遞，依靠流體流動(dòng)帶走固體表面的熱量，它是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩種基本產(chǎn)熱方式共同作用的結(jié)果。對(duì)流換熱交換的熱量可用牛頓冷卻公式計(jì)算：

q=h(tw-tf)

(1)

式中:tw為固體溫度；tf為流體溫度；q為在單位時(shí)間內(nèi)單位面積的固體表面與流體交換產(chǎn)生的熱流密度；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

制動(dòng)盤與空氣進(jìn)行流-固耦合換熱過程可以看作是一個(gè)三維瞬態(tài)的過程，滿足如下方程：

連續(xù)方程：

(2)

動(dòng)量守恒方程：

(3)

(4)

(5)

能量守恒方程：

(6)

式中：Fx、Fy、Fz為體積力在x、y、z不同方向的分體積力。

2 流-固耦合模型的建立

2.1 制動(dòng)盤幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和物理參數(shù)

制動(dòng)盤的物理參數(shù)如表1所示。為了研究不同結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤的散熱能力，假設(shè)制動(dòng)盤的初始溫度為700 K。

表1 制動(dòng)盤物理參數(shù)

2.2 散熱筋結(jié)構(gòu)

目前，制動(dòng)分盤散熱筋分為3種：柱狀散熱筋、板狀散熱筋和“Y”型散熱筋，在半徑上周向分布。在保證制動(dòng)盤面積一定的情況下，本文選取了柱狀散熱筋和板狀散熱筋，從改變散熱筋結(jié)構(gòu)形狀、排列密度和制造工藝等方面，參照文獻(xiàn)[6]建立了3種不同結(jié)構(gòu)的列車制動(dòng)盤，如圖1所示。A型散熱筋為長方體型，尺寸為105 mm×20 mm×30 mm，數(shù)量為20個(gè)；B型散熱筋為圓柱體型，半徑為20 mm，高度為30 mm，數(shù)量為20個(gè)；C型散熱筋為螺旋線型，長為105 mm,高為30 mm,彎曲角度為172°，數(shù)量為20個(gè)。

2.3 模型仿真流程

2.3.1建立通風(fēng)制動(dòng)盤流-固耦合模型

1)先利用三維軟件建立實(shí)體模型，如圖2所示，保存為x_t格式文件。

2)流-固耦合計(jì)算域由靜止域和旋轉(zhuǎn)域組成[7]，在workbench中設(shè)置計(jì)算域。由于在勻減速制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣流在盤內(nèi)湍流流動(dòng)。為減少仿真分析誤差，故設(shè)置旋轉(zhuǎn)域?yàn)橹苿?dòng)盤外部10 mm的圓柱區(qū)域，參照文獻(xiàn)[8]，靜止域?yàn)楣腆w域的5倍。圖3為流固耦合計(jì)算域示意圖。

2.3.2 網(wǎng)格劃分及邊界設(shè)定

為提高計(jì)算進(jìn)度，確保計(jì)算收斂，對(duì)不同域網(wǎng)格進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。參照文獻(xiàn)[9]，固體域網(wǎng)格大小為30 mm，空氣域?yàn)?0 mm，為增強(qiáng)收斂，在空氣進(jìn)、出口處將邊界層加密為5層。

由于制動(dòng)過程為勻減速，屬于瞬態(tài)變化，所以將空氣設(shè)置為不可壓縮流體。根據(jù)雷諾公式可知，通風(fēng)制動(dòng)盤制動(dòng)過程為湍流模型，所以采用k-ε模型。在Ansys CFX中進(jìn)行制動(dòng)盤流體瞬態(tài)分析，其邊界設(shè)置如下：

1)空氣域?？諝庥驕囟萒為300 K；假設(shè)高速列車為勻減速制動(dòng)，入口速度v(t)=83.3-0.78×t(m/s)；出口壓力P為101 325 Pa；上、下界面相對(duì)壓力為0 Pa，靜態(tài)溫度為300 K的開放邊界。

2)固體域。建立表1所示的固體鋼材料；固體域溫度T為700 K；制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)速度為ω=181.09-1.7×t(rad/s)；制動(dòng)盤面為熱量的交界面。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 溫度場(chǎng)

假設(shè)車速和風(fēng)速一致，高速列車制動(dòng)初速度為300 km/h，制動(dòng)減速度為0.78 m/s2，制動(dòng)直至停止時(shí)間為95 s[10]。在勻減速制動(dòng)結(jié)束后,不同的筋板溫度分布如圖4和圖5所示。

從圖4、5中可以看出：

1)盤面高溫區(qū)域主要集中在制動(dòng)盤內(nèi)徑區(qū)域，這是因?yàn)樵诟咚僦苿?dòng)過程中外徑區(qū)域首先與空氣進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流換熱，熱量散失需要時(shí)間?？梢钥闯?，A型制動(dòng)盤的低溫區(qū)域面積最大，B型制動(dòng)盤的高溫區(qū)域面積大。

2)因?yàn)橹苿?dòng)盤是軸對(duì)稱圖形，A型和C型制動(dòng)盤面在風(fēng)速進(jìn)、出口方向(X軸方向)溫度相對(duì)上下表面溫度較低。因?yàn)榭諝獯┻^通風(fēng)筋后再次形成一個(gè)迎風(fēng)面，所以在盤面溫度分布圖中可以看出，C型和A型制動(dòng)盤溫度分布相對(duì)均勻，溫差較小。

3)散熱筋的溫度分布與盤面一致，沿著半徑方向，從外徑向內(nèi)徑，溫度依次升高，上下表面的溫度高于左右風(fēng)速進(jìn)出口的溫度。

4)C型的散熱筋是螺旋線形面為172度的長方體，在勻減速制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)減少障礙，更有利于氣體進(jìn)入盤內(nèi)散熱。A型制動(dòng)盤散熱筋為長方體，氣流可以直接穿過通風(fēng)筋之間的間隙進(jìn)行散熱，減小湍流時(shí)的過渡角。

3.2 流場(chǎng)分析

3.2.1 速度分析

從圖6流線速度可以看到，受到制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)和空氣運(yùn)動(dòng)的共同影響，制動(dòng)盤上下表面和散熱筋內(nèi)部的流線較為紊亂形成了局部湍流，其余地方的氣流較為順暢，為層流狀態(tài)。除此之外，在制動(dòng)盤迎風(fēng)側(cè)氣流速度大，背風(fēng)側(cè)氣流速度較小。

3.2.2 制動(dòng)盤的對(duì)流換熱系數(shù)分析

從溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分析可知，在制動(dòng)過程中制動(dòng)盤的高溫區(qū)域主要在內(nèi)徑與上下表面，制動(dòng)盤上下表面和散熱筋內(nèi)存在湍流，對(duì)流換熱系數(shù)的變化決定制動(dòng)盤散熱的速度。圖7是選擇3個(gè)盤面高溫區(qū)域中同一點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)的瞬時(shí)變化規(guī)律，圖8是3種不同散熱筋結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤的平均對(duì)流換熱系數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系圖。

從圖7、8可以看出：

1)制動(dòng)盤與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱的系數(shù)與時(shí)間成負(fù)相關(guān)，主要是因?yàn)橹苿?dòng)盤轉(zhuǎn)速越高，空氣流速也就越大，對(duì)流換熱效果越明顯。

2)選取3個(gè)制動(dòng)盤高溫區(qū)域盤面中同一位置點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，A型和C型在同一位置點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)變化相差不大，而B型的對(duì)流換熱系數(shù)整體低于A型和C型，在制動(dòng)時(shí)間20 s時(shí)，同一位置點(diǎn)，A型對(duì)流換熱系數(shù)為176.47 W/(m2·K),B型對(duì)流換熱系數(shù)為149.88 W/(m2·K)，C型對(duì)流換熱系數(shù)為245.85 W/(m2·K)。A型比B型高了17.74%，C型比B型高了63.03%，說明圓柱狀散熱筋整體比板狀的散熱性能差。

3)在3種不同通風(fēng)筋結(jié)構(gòu)的制動(dòng)盤中，A型的平均對(duì)流換熱系數(shù)變化最快，B型和C型變化幾乎接近一致。說明在對(duì)流換熱過程中，氣流進(jìn)入散熱筋的過渡角較小時(shí)，平均對(duì)流換熱系數(shù)較高。A型的散熱效果最好。

3.3 總熱量

在制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)與空氣產(chǎn)生熱量交換，使得制動(dòng)盤進(jìn)行對(duì)流散熱，降低溫度。表2為3種不同散熱筋結(jié)構(gòu)的制動(dòng)盤總熱量。

表2 制動(dòng)盤總熱量

從表2中可以看出：

1)制動(dòng)盤總熱量隨轉(zhuǎn)速的提高而增加，轉(zhuǎn)速范圍為90～180 rad/s時(shí)，A型的總熱量提高了64.85%，B型的總熱量提高了69.14%，C型的總熱量提高了66.95%，說明勻減速過程中，圓柱形散熱筋比板形散熱筋產(chǎn)生熱量速度慢，散熱也更慢。

2)制動(dòng)盤轉(zhuǎn)速為180 rad/s時(shí)，A型的總熱量為0.93×103W/m2，B型的總熱量為0.603×103W/m2，C型的總熱量為0.824×103W/m2。與B型制動(dòng)盤相比，A型制動(dòng)盤的總熱量提高了60.7%，C型制動(dòng)盤的總熱量提高了36.74%。說明在高速運(yùn)行時(shí)，板形散熱筋比圓柱形散熱筋產(chǎn)生熱量多，這是因?yàn)闅饬魍ㄟ^A型散熱筋和C型散熱筋時(shí)受流道結(jié)構(gòu)分布的影響較小，散熱效果更好。由此說明，溫差相同的條件下，通風(fēng)盤內(nèi)部散熱筋結(jié)構(gòu)不同，對(duì)流換熱系數(shù)不同，產(chǎn)生熱量也不同。

4 結(jié)束語

本文通過將制動(dòng)盤設(shè)置在高速流場(chǎng)環(huán)境下，建立制動(dòng)盤在300 km/h初速度下勻減速的流場(chǎng)模型，利用CFX中的流-固耦合方法進(jìn)行仿真分析，對(duì)比分析散熱結(jié)構(gòu)對(duì)制動(dòng)盤對(duì)流換熱系數(shù)的影響。

溫度場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)：散熱筋結(jié)構(gòu)對(duì)制動(dòng)盤的溫度分布影響較大。在3種制動(dòng)盤中，C形制動(dòng)盤溫度分布最為均勻，溫差相對(duì)較小。

制動(dòng)盤的平均對(duì)流換熱系數(shù)和總熱量隨著時(shí)間的增大而減小，具有負(fù)相關(guān)性。對(duì)比3種不同散熱筋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，板形散熱筋比圓柱形散熱筋散熱更好一些。

3種制動(dòng)盤在通風(fēng)道內(nèi)均存在湍流現(xiàn)象，不利于對(duì)流換熱。因此想要提高通風(fēng)制動(dòng)盤的散熱效果，在保證制動(dòng)盤厚度、面積大小不變的條件下，可以通過優(yōu)化通風(fēng)筋結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)對(duì)通風(fēng)制動(dòng)盤的散熱。