基于微結(jié)構(gòu)特征的列車(chē)制動(dòng)盤(pán)對(duì)流換熱特性研究

陳明亮，李志偉，黃莎，車(chē)正鑫

（五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

盤(pán)型制動(dòng)作為高速列車(chē)使用的最基礎(chǔ)的制動(dòng)裝置，其工作性能與列車(chē)運(yùn)行的安全性直接相關(guān)[1].安裝于車(chē)軸上的軸裝制動(dòng)盤(pán)在制動(dòng)時(shí)會(huì)受到制動(dòng)閘片制動(dòng)力的作用，同時(shí)摩擦生熱使制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生疲勞熱裂紋，從而影響行車(chē)安全[2].為了提升制動(dòng)盤(pán)的散熱能力，黃曉華等[3-4]設(shè)計(jì)了3種不同的仿生散熱筋結(jié)構(gòu)，并與傳統(tǒng)圓柱型散熱筋進(jìn)行對(duì)照仿真模擬，認(rèn)為仿生型散熱筋的散熱能力均優(yōu)于傳統(tǒng)散熱筋.楊肖等[5]設(shè)計(jì)了 3種不同表面形態(tài)的制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面，經(jīng)分析后認(rèn)為帶有凹槽制動(dòng)盤(pán)可以降低摩擦熱，提升散熱性能.劉靜娟等[6-7]設(shè)計(jì)了4種不同的散熱筋結(jié)構(gòu)，研究其對(duì)制動(dòng)盤(pán)的溫度分布、平均對(duì)流換熱系數(shù)和總熱流量的影響情況，認(rèn)為圓弧筋板結(jié)構(gòu)的散熱特性最佳.高雅妍等[8-9]基于蝗蟲(chóng)體表的非光滑表面，在制動(dòng)盤(pán)上鋪置溝槽結(jié)構(gòu)和圓凹坑結(jié)構(gòu)，經(jīng)研究后認(rèn)為圓凹坑結(jié)構(gòu)表面更易儲(chǔ)存空氣，因此其散熱性能最優(yōu).國(guó)外學(xué)者 Raj等[10]研究了多種不同形狀的筋板，發(fā)現(xiàn)圓柱形筋板制動(dòng)盤(pán)的溫度梯度和速度分布均勻，散熱能力較好.Munisamy等[11]認(rèn)為散熱筋順時(shí)針傾斜時(shí)有利于制動(dòng)盤(pán)散熱.目前，對(duì)制動(dòng)盤(pán)在流場(chǎng)中的對(duì)流換熱能力的研究還比較少，本文以軸裝制動(dòng)盤(pán)為研究對(duì)象，在盤(pán)面和筋板上布置溝槽微結(jié)構(gòu)，研究在強(qiáng)迫通風(fēng)條件下微結(jié)構(gòu)對(duì)制動(dòng)盤(pán)對(duì)流換熱性能的影響，以期為列車(chē)制動(dòng)盤(pán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)和參考依據(jù).

1 制動(dòng)盤(pán)模型建模

制動(dòng)盤(pán)模型可近似看作“兩側(cè)為扁圓柱體，內(nèi)部為筋板”的簡(jiǎn)單模型，如圖1所示.其中兩側(cè)的圓面為光滑摩擦面，內(nèi)部筋板采用徑向排列的鍵型結(jié)構(gòu)，且沿周向分布[12]，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)由表1給出.制動(dòng)盤(pán)所用材料為灰鑄鐵 HT300，為簡(jiǎn)化材料物性性質(zhì)，定義材料物性不隨溫度變化，給出常溫條件下的材料屬性，密度為7 300 kg/m3，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)分別為565 J/(kg·°C)和 46.6 W/(m·°C).

圖1 制動(dòng)盤(pán)模型及散熱筋尺寸圖

表1 原始制動(dòng)盤(pán)的具體參數(shù)

如圖2所示，基于原始盤(pán)面模型，在盤(pán)面半徑為200 mm、240 mm和290 mm處鋪設(shè)溝槽微結(jié)構(gòu).分別有：A型盤(pán)面，布置直徑為5 mm的球窩凹坑；B型盤(pán)面，布置直徑為5 mm的半圓溝槽；C型盤(pán)面，布置長(zhǎng)度為5 mm，深度為2 mm的直角溝槽；D型盤(pán)面，由C型盤(pán)面和沿周向分布的直徑為5 mm的半圓溝槽組成的放射狀網(wǎng)格溝槽.為便于對(duì)比分析，原始盤(pán)面記為Y型盤(pán)面.

圖2 各種制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面

如圖3所示，基于原始散熱筋模型，在其表面鋪設(shè)溝槽微結(jié)構(gòu).分別有：A型散熱筋，沿周向布置直徑為5 mm的球窩凹坑；B型散熱筋，沿周向布置直徑為3 mm的半圓溝槽；C型散熱筋，由B型散熱筋和沿周向分布的直徑為2 mm的半圓溝槽組成的放射狀網(wǎng)格溝槽.為便于對(duì)比分析，原始散熱筋記為Y型散熱筋.

圖3 各種制動(dòng)盤(pán)散熱筋

物件的對(duì)流換熱能力受多種幾何因素影響，如換熱面的形狀、尺寸、換熱面和流體運(yùn)動(dòng)的相對(duì)方向以及換熱面的粗糙度狀態(tài)等.本文通過(guò)增大換熱面的散熱面積，來(lái)研究對(duì)制動(dòng)盤(pán)以及散熱筋的對(duì)流換熱影響.表2為各種盤(pán)面（單個(gè)）和各種散熱筋（單個(gè)）的表面積數(shù)值.

表2 各種盤(pán)面（單個(gè)）和各種散熱筋（單個(gè)）的表面積

2 制動(dòng)盤(pán)的邊界條件

列車(chē)行駛時(shí)，制動(dòng)盤(pán)和周?chē)諝獍l(fā)生強(qiáng)迫對(duì)流換熱.實(shí)際制動(dòng)盤(pán)工作時(shí)會(huì)有隨列車(chē)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和跟隨輪對(duì)的圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此在制動(dòng)盤(pán)附近建立一個(gè)包覆其在內(nèi)的圓柱體空氣包覆層，采用MRF參考系建立制動(dòng)盤(pán)區(qū)域的旋轉(zhuǎn)模型以實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)動(dòng)，空氣從流場(chǎng)模型的速度入口直線(xiàn)進(jìn)入，從壓力出口排出.制動(dòng)盤(pán)固體域和空氣域?yàn)榱鞴恬詈线吔?，以?shí)現(xiàn)兩者之間換熱，其余為絕熱面.圖4為制動(dòng)盤(pán)的流場(chǎng)模型.

圖4 制動(dòng)盤(pán)的流場(chǎng)模型

空氣域的空氣物性為常溫下物性，在FLUENT進(jìn)行求解時(shí)定義其密度屬性遵循boussinesq假設(shè).具體物性參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 空氣物性參數(shù)

其余邊界條件為：1）流場(chǎng)入口空氣速度為行車(chē)速度，為55.5 m/s（即200 km/h）；2）制動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)模型作勻速逆時(shí)針的圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為130 rad/s；3）制動(dòng)盤(pán)溫度直接給定，不考慮其與閘片摩擦生熱過(guò)程且假設(shè)熱量分布均勻，給定兩側(cè)盤(pán)體溫度為380°C（653 K），給定散熱筋溫度為360°C（633 K）.該速度下空氣為不可壓縮流體.本次分析采用的湍流方程為標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程，并結(jié)合PISO算法.

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 散熱筋仿真結(jié)果與分析

模擬散熱過(guò)程進(jìn)行到t=15 s時(shí)不同形狀的散熱筋的溫度分布，如圖5所示.經(jīng)過(guò)15 s的散熱，不同微結(jié)構(gòu)形狀散熱筋的溫度分布狀況幾乎一致，但形狀因素影響了散熱筋的散熱效率.由于散熱筋在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，布置有微結(jié)構(gòu)的表面是來(lái)流風(fēng)的迎風(fēng)面，增大此表面的散熱表面積能有效提升散熱筋的對(duì)流換熱性能.

圖5 t=15 s時(shí)各種散熱筋的溫度分布

圖6給出了散熱筋表面節(jié)點(diǎn)的采點(diǎn)說(shuō)明，在散熱筋上取包含有A、B、C、D及E點(diǎn)的一直線(xiàn)段，并對(duì)上述5點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣點(diǎn)位置在不同的散熱筋模型中確保一一對(duì)應(yīng).A點(diǎn)至E點(diǎn)依次對(duì)應(yīng)圖8表示的節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)5.

圖6 散熱筋的數(shù)據(jù)采點(diǎn)示意

圖7是15 s內(nèi)幾種散熱筋表面的最高溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，圖8為t=15 s時(shí)散熱筋節(jié)點(diǎn)1～5的對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)值.可見(jiàn)布置有微結(jié)構(gòu)的散熱筋的散熱效率均優(yōu)于原始散熱筋，其中C型散熱筋采樣節(jié)點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)值比其他散熱筋數(shù)值要高，其散熱性能最優(yōu).經(jīng)過(guò)15 s的散熱后，C型散熱筋表面最高溫度為309.45°C；其次是B型散熱筋，表面最高溫度為309.76°C；然后是A型散熱筋，表面最高溫度為324.00°C；最后是Y型即原始散熱筋，其散熱性能最差，表面最高溫度為327.90°C.

圖7 幾種散熱筋最高溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖8 對(duì)應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)

對(duì)比表2，C型散熱筋的表面積最大，Y型表面積最??；B型與C型的表面積相差不大，模擬溫降表現(xiàn)和表面節(jié)點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)值亦相差不大.散熱效率提升是由于換熱面積增大，且微結(jié)構(gòu)布置在迎風(fēng)面，溝槽和球窩可使熱量更容易從內(nèi)部帶出，從而經(jīng)表面散失.相比Y型即原始散熱筋，對(duì)流換熱性能最佳的C型即放射狀網(wǎng)格散熱筋，散熱效率提升約5.53%.

3.2 盤(pán)面仿真結(jié)果與分析

模擬散熱過(guò)程進(jìn)行到t=15 s時(shí)不同形狀的盤(pán)面的溫度分布，如圖9所示，可見(jiàn)在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)幾種盤(pán)面的溫度相差并不大.經(jīng)15 s散熱后，Y型盤(pán)面的表面最高溫度為361.31°C；其次是A型盤(pán)面，表面最高溫度為361.62°C；然后是C型盤(pán)面，表面最高溫度為361.96°C；接著是D型盤(pán)面，表面最高溫度為362.36°C；最后是B型盤(pán)面，表面最高溫度為362.79°C.經(jīng)過(guò)15 s散熱，幾種形狀盤(pán)面的溫度分布狀況大致相同，溫度較高的熱聚集區(qū)都出現(xiàn)在幾種盤(pán)面右下方，不同的微結(jié)構(gòu)形狀會(huì)在局部區(qū)域影響盤(pán)面散熱性能，導(dǎo)致不同盤(pán)面的熱聚集區(qū)有輕微差異.經(jīng)散熱仿真模擬，盤(pán)面上的微結(jié)構(gòu)并不會(huì)提升其對(duì)流換熱效率，甚至阻礙盤(pán)面熱量散失.

圖9 t=15 s時(shí)幾種盤(pán)面的溫度分布

如圖10所示，以制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面的一處球窩微結(jié)構(gòu)內(nèi)部為例，闡述表面微結(jié)構(gòu)對(duì)盤(pán)面對(duì)流換熱的影響.由于微結(jié)構(gòu)布置在制動(dòng)盤(pán)的邊緣面，來(lái)流風(fēng)無(wú)法直接垂直進(jìn)入至球窩內(nèi)部，只能平行掠過(guò)球窩上方.當(dāng)來(lái)流風(fēng)從盤(pán)面掃掠到球窩時(shí)，內(nèi)陷的球窩會(huì)使氣流在球窩內(nèi)陷面前部形成低壓區(qū)，球窩內(nèi)陷面后部和上方是高壓區(qū)，導(dǎo)致氣流以較來(lái)流風(fēng)小得多的速度在內(nèi)陷面內(nèi)回旋.速度更高的來(lái)流風(fēng)無(wú)法進(jìn)入到球窩內(nèi)部帶走熱量，致使熱量堆積于球窩內(nèi)陷面.

圖10 球窩內(nèi)部的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)

如圖11所示，以A型盤(pán)面為例給出了盤(pán)面的采點(diǎn)說(shuō)明.在盤(pán)面半徑為200 mm、240 mm和290 mm處（布置有微結(jié)構(gòu)的地方）分別采點(diǎn)，并計(jì)算此3點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)均值來(lái)表示在該3點(diǎn)共圓的圓周上的數(shù)據(jù)值.其余盤(pán)面的采點(diǎn)位置也與圖11所示的采點(diǎn)處一一對(duì)應(yīng).

圖11 盤(pán)面的數(shù)據(jù)采點(diǎn)示意

圖12～15是上述采樣點(diǎn)處理后求得的表面平均溫度、平均對(duì)流換熱系數(shù)和表面平均風(fēng)速.對(duì)比表2，布置有微結(jié)構(gòu)的盤(pán)面的表面積均大于 Y型盤(pán)面，但最終散熱效果不如Y型盤(pán)面，來(lái)流風(fēng)從布置有微結(jié)構(gòu)的盤(pán)側(cè)面平行掠過(guò)，經(jīng)過(guò)溝槽或球窩時(shí)氣流速度驟然下降，導(dǎo)致阻礙散熱，使熱量在溝槽和球窩內(nèi)陷面處堆積.圖12、14和 15表明，在15 s內(nèi)的每個(gè)時(shí)刻，Y型盤(pán)面的最高溫度相較其他盤(pán)面都是最低的；從3處采樣節(jié)點(diǎn)來(lái)看，Y型盤(pán)面的表面平均風(fēng)速比布置有微結(jié)構(gòu)的其余盤(pán)面要高，其平均對(duì)流換熱系數(shù)相交其他盤(pán)面亦幾乎為最高，因此Y型盤(pán)面（原始盤(pán)面）的散熱性能最優(yōu)，表面平均溫度最低.

圖12 幾種散熱盤(pán)最高溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

綜上制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面結(jié)果分析，在盤(pán)面上布置微結(jié)構(gòu)不利熱量散失，原始盤(pán)面散熱能力已經(jīng)最優(yōu).

圖13 采樣位置的表面平均溫度

圖14 采樣位置的表面平均對(duì)流換熱系數(shù)

圖15 采樣位置的表面平均風(fēng)速

4 結(jié)論

本文建立了4種微結(jié)構(gòu)盤(pán)面模型和3種微結(jié)構(gòu)散熱筋模型，并基于流體分析軟件FLUENT模擬上述模型的強(qiáng)迫對(duì)流換熱過(guò)程.得到結(jié)論如下：

1）布置有微結(jié)構(gòu)的散熱筋表面是迎風(fēng)面，且在此表面布置微結(jié)構(gòu)可提升散熱筋的散熱效率.散熱能力優(yōu)良次序?yàn)榉派錉罹W(wǎng)格散熱筋、半圓溝槽散熱筋、球窩凹坑散熱筋、原始散熱筋，該順序與散熱筋表面積大小次序相一致.相比原始散熱筋，放射狀網(wǎng)格散熱筋的散熱效率可提升約5.53%；

2）布置有微結(jié)構(gòu)的制動(dòng)盤(pán)兩側(cè)表面并不是迎風(fēng)面，在此表面布置微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致盤(pán)面表面風(fēng)速下降，來(lái)流風(fēng)難以進(jìn)入微結(jié)構(gòu)內(nèi)陷面中帶走熱量，致使熱量堆積.因此，原始盤(pán)面的散熱能力已是最優(yōu)，在非迎風(fēng)面布置微結(jié)構(gòu)反而不利于散熱.

為真實(shí)模擬出制動(dòng)盤(pán)的散熱環(huán)境，本文著重考慮制動(dòng)盤(pán)在流場(chǎng)中的溫降過(guò)程.研究結(jié)果表明，微結(jié)構(gòu)要布置在迎風(fēng)面才能提升散熱能力.下一步研究可在制動(dòng)盤(pán)上布置形態(tài)更加復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，或考慮微結(jié)構(gòu)的排布規(guī)律和形狀尺寸等參數(shù)對(duì)對(duì)流換熱能力的影響.