散热筋结构对列车制动盘对流换热系数的影响分析

2020-07-14王国权

北京信息科技大学学报(自然科学版) 2020年2期

王欣，王国权，陈勇

(1.北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192；2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100192)

0 引言

高速列车作为一种高效快捷的交通工具，制动器是保障其安全性能的一个关键装置。对于依靠摩擦方式将动能转化为热能的制动器，其机械结构、制动工况、制动过程中摩擦偶件(制动盘和摩擦片)的温升都会影响列车制动效能的稳定性。在制动过程中，摩擦偶件温升如果超出规定范围，就会危及列车的制动性能甚至引发交通事故。在规定的制动工况下，制动盘的温升是影响列车制动性能稳定性的重要因素。提高制动盘的散热性能，降低制动盘的温升是制动器设计极为关键的环节。目前主流的高速列车制动盘有通风式制动盘和实心盘两类。由于通风式制动盘的制动热稳定性远高于实心盘，其在高速列车制动器中的应用越来越普及。

通风盘式制动器制动时，制动盘的散热有传导散热、对流散热和辐射散热3种方式。稳态条件下对流换热散失的热量占制动器摩擦生热总量的70%以上[1]，制动盘散热筋的结构和布局不仅对制动盘的刚度和强度有影响，还决定了制动盘周围空气的导入和流出，决定了制动盘的散热效果，优化通风式制动盘散热筋的拓扑结构和布局，对通风式制动盘结构设计具有重要的意义。

理论分析、数值计算仿真和实验研究相结合的方法是目前分析复杂对流换热问题的主要方法[2]。文献[1]通过MPCCI数据交换平台实现固体模型与流体模型求解器的同步迭代和耦合求解，得出了耦合面温度和应力及对流换热系数的变化规律。文献[3]采用CFD数值模拟方法，对改进后的制动盘类型进行散热分析比较，探索筋板的结构尺寸对散热特性的影响。文献[4]通过实验与数值模拟研究了X型通风盘在改进设计后的散热特性，分析结果表明这种新型制动盘比初级X型制动盘具有更好的热均匀性和更好的冷却能力。文献[5]建立了一个类似流动的实际制动盘的工作状态，分析局部和平均对流换热系数，使用热/质量传递类比法得出制动盘与车轮直径比决定了制动盘外表面的对流换热特性。

本文使用数值仿真分析了列车在匀减速制动时3种散热筋结构的通风式制动盘流场流线速度的变化和平均对流系数的变化，讨论了制动盘面的平均对流换热系数变化和高温区域的换热系数，得到了通风式制动盘温度场的变化规律，为通风式制动盘结构的优化设计提供依据。

1 制动盘对流换热的数学描述

高速列车在匀减速制动时，摩擦偶件产生的热量通过制动盘和摩擦片的热传导、热对流和热辐射等3种散热方式散失到环境中，对流换热是主要的散热方式。对流换热是流体与固体表面之间的热量传递，依靠流体流动带走固体表面的热量，它是热传导和热对流两种基本产热方式共同作用的结果。对流换热交换的热量可用牛顿冷却公式计算：

q=h(tw-tf)

(1)

式中:tw为固体温度；tf为流体温度；q为在单位时间内单位面积的固体表面与流体交换产生的热流密度；h为表面传热系数。

制动盘与空气进行流-固耦合换热过程可以看作是一个三维瞬态的过程，满足如下方程：

连续方程：

(2)

动量守恒方程：

(3)

(4)

(5)

能量守恒方程：

(6)

式中：Fx、Fy、Fz为体积力在x、y、z不同方向的分体积力。

2 流-固耦合模型的建立

2.1 制动盘几何结构参数和物理参数

制动盘的物理参数如表1所示。为了研究不同结构制动盘的散热能力，假设制动盘的初始温度为700 K。

表1 制动盘物理参数

2.2 散热筋结构

目前，制动分盘散热筋分为3种：柱状散热筋、板状散热筋和“Y”型散热筋，在半径上周向分布。在保证制动盘面积一定的情况下，本文选取了柱状散热筋和板状散热筋，从改变散热筋结构形状、排列密度和制造工艺等方面，参照文献[6]建立了3种不同结构的列车制动盘，如图1所示。A型散热筋为长方体型，尺寸为105 mm×20 mm×30 mm，数量为20个；B型散热筋为圆柱体型，半径为20 mm，高度为30 mm，数量为20个；C型散热筋为螺旋线型，长为105 mm,高为30 mm,弯曲角度为172°，数量为20个。

2.3 模型仿真流程

2.3.1建立通风制动盘流-固耦合模型

1)先利用三维软件建立实体模型，如图2所示，保存为x_t格式文件。

2)流-固耦合计算域由静止域和旋转域组成[7]，在workbench中设置计算域。由于在匀减速制动过程中，制动盘为旋转运动，气流在盘内湍流流动。为减少仿真分析误差，故设置旋转域为制动盘外部10 mm的圆柱区域，参照文献[8]，静止域为固体域的5倍。图3为流固耦合计算域示意图。

2.3.2 网格划分及边界设定

为提高计算进度，确保计算收敛，对不同域网格进行四面体网格划分。参照文献[9]，固体域网格大小为30 mm，空气域为60 mm，为增强收敛，在空气进、出口处将边界层加密为5层。

由于制动过程为匀减速，属于瞬态变化，所以将空气设置为不可压缩流体。根据雷诺公式可知，通风制动盘制动过程为湍流模型，所以采用k-ε模型。在Ansys CFX中进行制动盘流体瞬态分析，其边界设置如下：

1)空气域。空气域温度T为300 K；假设高速列车为匀减速制动，入口速度v(t)=83.3-0.78×t(m/s)；出口压力P为101 325 Pa；上、下界面相对压力为0 Pa，静态温度为300 K的开放边界。

2)固体域。建立表1所示的固体钢材料；固体域温度T为700 K；制动盘旋转速度为ω=181.09-1.7×t(rad/s)；制动盘面为热量的交界面。

3 仿真结果分析

3.1 温度场

假设车速和风速一致，高速列车制动初速度为300 km/h，制动减速度为0.78 m/s2，制动直至停止时间为95 s[10]。在匀减速制动结束后,不同的筋板温度分布如图4和图5所示。

从图4、5中可以看出：

1)盘面高温区域主要集中在制动盘内径区域，这是因为在高速制动过程中外径区域首先与空气进行强迫对流换热，热量散失需要时间。可以看出，A型制动盘的低温区域面积最大，B型制动盘的高温区域面积大。

2)因为制动盘是轴对称图形，A型和C型制动盘面在风速进、出口方向(X轴方向)温度相对上下表面温度较低。因为空气穿过通风筋后再次形成一个迎风面，所以在盘面温度分布图中可以看出，C型和A型制动盘温度分布相对均匀，温差较小。

3)散热筋的温度分布与盘面一致，沿着半径方向，从外径向内径，温度依次升高，上下表面的温度高于左右风速进出口的温度。

4)C型的散热筋是螺旋线形面为172度的长方体，在匀减速制动过程中，制动盘旋转减少障碍，更有利于气体进入盘内散热。A型制动盘散热筋为长方体，气流可以直接穿过通风筋之间的间隙进行散热，减小湍流时的过渡角。

3.2 流场分析

3.2.1 速度分析

从图6流线速度可以看到，受到制动盘转动和空气运动的共同影响，制动盘上下表面和散热筋内部的流线较为紊乱形成了局部湍流，其余地方的气流较为顺畅，为层流状态。除此之外，在制动盘迎风侧气流速度大，背风侧气流速度较小。

3.2.2 制动盘的对流换热系数分析

从温度场和流场分析可知，在制动过程中制动盘的高温区域主要在内径与上下表面，制动盘上下表面和散热筋内存在湍流，对流换热系数的变化决定制动盘散热的速度。图7是选择3个盘面高温区域中同一点的对流换热系数的瞬时变化规律，图8是3种不同散热筋结构制动盘的平均对流换热系数随时间变化的关系图。

从图7、8可以看出：

1)制动盘与空气进行对流换热的系数与时间成负相关，主要是因为制动盘转速越高，空气流速也就越大，对流换热效果越明显。

2)选取3个制动盘高温区域盘面中同一位置点发现，A型和C型在同一位置点的对流换热系数变化相差不大，而B型的对流换热系数整体低于A型和C型，在制动时间20 s时，同一位置点，A型对流换热系数为176.47 W/(m2·K),B型对流换热系数为149.88 W/(m2·K)，C型对流换热系数为245.85 W/(m2·K)。A型比B型高了17.74%，C型比B型高了63.03%，说明圆柱状散热筋整体比板状的散热性能差。

3)在3种不同通风筋结构的制动盘中，A型的平均对流换热系数变化最快，B型和C型变化几乎接近一致。说明在对流换热过程中，气流进入散热筋的过渡角较小时，平均对流换热系数较高。A型的散热效果最好。

3.3 总热量

在制动过程中，制动盘旋转与空气产生热量交换，使得制动盘进行对流散热，降低温度。表2为3种不同散热筋结构的制动盘总热量。

表2 制动盘总热量

从表2中可以看出：

1)制动盘总热量随转速的提高而增加，转速范围为90～180 rad/s时，A型的总热量提高了64.85%，B型的总热量提高了69.14%，C型的总热量提高了66.95%，说明匀减速过程中，圆柱形散热筋比板形散热筋产生热量速度慢，散热也更慢。

2)制动盘转速为180 rad/s时，A型的总热量为0.93×103W/m2，B型的总热量为0.603×103W/m2，C型的总热量为0.824×103W/m2。与B型制动盘相比，A型制动盘的总热量提高了60.7%，C型制动盘的总热量提高了36.74%。说明在高速运行时，板形散热筋比圆柱形散热筋产生热量多，这是因为气流通过A型散热筋和C型散热筋时受流道结构分布的影响较小，散热效果更好。由此说明，温差相同的条件下，通风盘内部散热筋结构不同，对流换热系数不同，产生热量也不同。