车辆通风式制动盘内部通道对流换热的分析

贾晓丽，陈建平，刘璇

（佛山职业技术学院，广东 佛山 528137）

随着时代的不断发展与进步，汽车工业的生产规模不断扩大，作为保障车辆行驶安全的关键性结构，制动系统的设计发挥着极为重要的作用。相关从业者以及技术人员应当从实际出发，明确通风式制动盘内部对流换热特性与设计要求，进而采用数学方法针对车辆通风式制动盘对流换热方案进行优化设计，使其散热性能能够达到预期目标。

1 通风式制动盘对流换热影响要素

1.1 空气质量流量

空气质量流量，主要指的是单位时间内流过的空气质量。受到车辆通风式制动盘结构特性、运行特点以及设计要求等因素的影响，其通道内部的空气质量流量往往与制动盘的整体散热性能相关联，经实践分析能够得出结论，当制动盘结构内部空气质量流量提升时，整个制动盘的散热效果越好。一些学者采用了粒子图像测速仪针对通风式制动盘内部热交换状态以及散热情况进行了观测和分析，最终结果表明，受到制动盘散热通道结构的影响，空气在流经通道入口时可能会产生分离现象，使通道内部出现热量散布不均的现象，加大了通道变形的风险，因此在针对车辆通风式制动盘内部散热通道进行优化设计的同时，应充分考虑空气质量流量所带来的相关影响。

1.2 对流换热系数

对流换热系数是热力学研究过程中的另一项关键性概念，其主要指的是流体与固体表面之间接触进而形成的换热能力，具体计算公式为：

式中，φ为对流换热过程当中固体表面与流体接触时所产生的传热量，h为对流换热系数，a为整个换热过程当中的接触面积情况，tw与tf分别为固体与流体接触换热过程当中的表面温度状态。

作为一个较为明确的对流换热模型，在针对车辆通风式制动盘结构进行优化设计的过程中，其最终目标是为了尽可能提升结构内的对流换热系数，使车辆制动过程中所产生的热量能够在空气流动的助力下实现有效逸散，进而进一步强化车辆通风式制动盘性能。

1.3 有效散热面积

按照傅里叶定律可知，结构表面积越大，其散热效率越快，散热性能越好，因此在车辆通风式制动盘中，其有效散热面积与制动盘对流换热性能之间呈现正相关。通常来说，在针对通风式制动盘进行生产方案设计与规划的过程中，往往会采用机加工方式将通风式制动盘表面进行粗糙化处理，使制动盘在运行过程中能够与外界空气相接触的面积不断增大，使制动盘表面散热性能得到进一步的提升。

在针对车辆通风式制动盘进行设计与生产时，其内部叶片的表面积是影响其散热性能的关键所在，但经过一系列实验分析过后则能够得出结论，当针对散热叶片表面积进行扩大设计时，其结构形态的变化将会导致其空气质量流量不断减少，进而给制动盘散热性能带来一定的负面影响。因此，在基于有效散热面积针对通风式制动盘的设计进行优化和迭代的同时，技术人员应明确结合相关技术方法以及技术战略，使散热结构的表面积与空气流量情况达成全面平衡，使结构内部的散热效果能够达到更高水平。

2 制动盘通道对流分析方法

在基于热力学相关原理针对车辆通风式制动盘的对流换热情况进行分析和研究的过程当中，一般涵盖了以下几种分析方法以及分析策略。

2.1 解析法

20世纪中叶，由Wagner等为代表的学者针对理想状态下实心圆盘模型运行过程当中的温度变化情况进行了近似分析，具体公式为：

以Newcomb等为代表的学者基于拉普拉斯变换公式，针对固体表面理想化生热速率的状态给出了对流热损失与温差之间的相互关系，认为当温差扩大时，流体与固体表面接触产生对流换热时出现的热损失现象越明显，与此同时，给出了理想状态下车辆通风式制动盘对流换热的数学模型。

Sakamoto等学者从试验角度针对热力学解析法进行了验证，通过热对流基本方程针对车辆通风式制动盘运行过程中的散热速率进行了计算，具体公式为：

式中，a为固体表面对流换热过程中的冷却速率，当a值不断扩大时，车辆通风式制动盘的冷却性能越好，行驶过程中车辆的制动性能越高。

2.2 流体力学计算法

在针对车辆通风式制动盘对流换热过程中的散热性能进行分析和研究的过程中，由于影响其散热性能的要素较多，因此给计算过程带来了一定的挑战和困难。传统的解析法仅能针对理想状态下或标准模式下的车辆通风式制动盘散热性能进行分析和验证，适用范围受到限制和影响。因此，近年来，随着热力学研究的不断推进以及车辆制动研究领域的不断成熟，流体力学计算法逐渐成为通风式散热盘性能与效果的另一项重要计算方式。

相关技术人员可将三维热传导方程引入到通风式制动盘散热性能的研究与计算领域中，并将不同时间节点下通风式制动盘的温度反应情况进行记录，使相关技术团队能够准确获取到差异化运行条件下车辆通风式制动盘的状态分布以及温度分布，并明确通风散热对制动盘温度变化情况所产生的影响。此外，为了更加充分地保障试验分析环境与车辆通风式制动盘实际运行环境之间的契合度，还可以在计算过程中引入动网格技术对制动盘运行状态进行模拟，引进制动盘运行过程中产生的平移、旋转等运动状态，从而基于更加全面的角度对空气流体与固体之间接触散热的最终效果进行分析和阐述。

3 试验测试与结论

在针对车辆通风式制动盘对流换热情况进行分析之前，相关技术团队以及设计人员需要分别基于温度与气流两方面要素进行试验测试，从而准确掌握通风式制动盘运行过程中其通道内部的热力状态，使优化方案下制动盘的整体散热性能得到更加显著地提升。

3.1 温度测试

温度测试过程中，主要涵盖以下几种试验方法。

（1）热电偶试验法，试验团队可采用K型热电偶针对制动盘通风散热过程中其表面不同点位的温度变化情况进行监测，并在模拟制动状态下对各测量点位的温度变化情况进行比对和分析。为尽可能提升热电偶试验法在通风式制动盘散热性能研究过程中的精度与测量效果，有关技术人员以及测量团队需要针对热电偶的布设位置以及测量频次进行更加全面地规划，使制动盘的平均温度状态得到更加准确的显现。

（2）瞬态液晶试验技术，基于杜哈梅尔原理，在温度变化的前提下，液晶体的颜色也会发生相应的变化，通过对制动盘制动运作过程中其性能状态、液晶色彩变化情况、降温目标以及降温时间等要素进行记录结合测试，能够使技术团队以及设计团队较为准确地掌握整个系统内部对流换热过程中产生的换热系数，使通风式制动盘的换热设计得到最佳效果。

（3）红外热像仪试验技术。近年来，随着光学技术与计算机技术的全面发展，红外热像仪已成为进行动态温度监控的关键性工具之一，其具有功能全面、环境适应能力强、读数精准等优势和特点，因此能够对复杂环境下物体的温度变化情况实施针对性监控。相关人员可采用红外热像仪技术针对模拟状态下的车辆通风式制动盘温度状态变化情况进行及时跟踪，进而掌握不同设计方案下制动盘的散热情况与运行性能，实现其设计方案的全面优化。但由于红外热像仪属于精密仪器，因此在基于该设备进行试验分析前，需要做好校准工作，确保最终试验读数的准确可靠。

3.2 气流测试

除了温度试验外，在针对车辆通风式制动盘内部结构进行优化设计的过程中，相关技术团队还需要从气流角度对其进行测试和分析，从而明确不同方案下通风式制动盘通道当中的对流散热性能。

（1）可采用可视化技术针对通风式制动盘运行过程当中通道内气流状况进行观察和验证。由于热力学研究对气流状态的观测与分析精度要求不高，因此可采用较为便捷的化学或物理式的可视化技术对气流状态进行辨识，技术团队可在气流内部引入颜料颗粒物等，使其能够呈现出气流的流动状态，为通道对流换热设计方案的优化提供支持。

（2）可采用粒子图像测速仪针对模拟制动状态下气流的运行情况进行观察和监控。相较可视化技术，粒子图像测速仪主要依托光学原理对气流速度场进行量测，减少了人为因素对制动状态下冷却气流运动状况产生的干预，使制动盘冷却通道内部气流的流速状态得到较为明确的测定，有效确保了测量精度。

（3）可采用激光多普勒测速技术开展试验。受到激光光学特性的影响，导致其与运动过程中的微粒子可能会产生散射频率背离现象，出现多普勒频移，通过这一现象与特性，能够较准确地掌握流体运动过程中的速率，进而为系统内部的设计方案提供参考与引导。

（4）可采用热线风速仪进行气流运动特性的量测。受到车辆通风式制动盘内部结构以及运行状态等因素的影响，导致气流在其内部进行活动的过程当中，呈现出非稳态的形态，因此通道内部的热交换并不均衡。相关技术团队可将风速仪置于通风式制动盘出口部位，使模拟制动过程中制动盘出口部位的风速与温度参数都能够较为直观地展现在试验设备中，从而得到不同方案下气流通过制动盘通道的基本信息，提升结构设计水平与设计成效。具体结构如图1所示。

图1 热线风速仪内部结构

4 制动盘通道换热优化设计

在以往车辆通风式制动盘的设计与运行过程中，受到其内部散热通道结构的影响和制约，导致其内部换热性能往往存在一定欠缺，影响了制动盘的安全性能，因此，有关技术人员以及设计团队应当严格按照解析法以及流体力学试验法针对通道换热情况进行明确优化，使车辆制动系统的结构更加稳定，制动性能不断提升。

4.1 通道内流场分析

在模拟制动状态下车辆通风式制动盘的运行过程中，其内部通风肋板主要具备抽吸作用，因此，在针对流体流场进行分析的过程中，可将制动盘通道内径设置为流场入口，外径部位设置为流场出口，进而采用Fluent软件针对制动盘通道中不同部位在不同运行速度下的空气流动情况进行分析。其中，在制动盘模拟制动运行过程当中，流场中的气流运动并不均衡，当制动车速不断增加时，低流速区域的面积不断扩大，而高流速区域的空气流速不断增加，同时，在制动盘运行过程中，可能会在散热通道内部产生气流涡流现象，需要从结构设计方案入手对气流涡流现象进行抑制和优化。

4.2 通风肋板结构优化

在以往的通风式制动盘结构设计过程中，其通风肋板结构前后结构变化不显著，自入口至出口处的宽度基本等同，导致气流在流动过程中显示出先慢后快的现象，通道内部的涡流区域在出口部位的面积最大，因此在设计过程中，可将肋板设计为梯形形态，增加制动盘散热通道出口部位的宽度，同时将流道宽度进行同一控制，使气流运动过程中产生的涡流现象得到更加有效地抑制，保障通道内气流散热效果。

4.3 最终优化成效

经过对制动盘内部通风肋板结构进行优化过后，其通道中气流分布情况得到了全面改善与优化，通道内部气流运动速度更加均衡，通道内涡流现象得到了更加有效的抑制。此外，从宏观角度来看，经过对肋板结构的进一步优化，使车辆通风式制动盘内部气流流通速度得到了较为显著的提升，制动盘散热性能得到了全面强化，为提高不同车速下通风式制动盘的安全性能奠定了较为坚实的基础。

5 结语

综上所述，作为车辆设计与运行过程中的关键性部件，通风式制动盘发挥着至关重要的作用。相关从业者应当从实际出发，明确通风式制动盘中对流换热相关指标的监测与试验要求，并针对不同因素对于通风式制动盘散热通道内部流体力学的影响情况进行全面协调，使其能够进一步适应对流换热前提下制动盘的运行要求，使其能够为车辆的设计提供更加坚定的安全保障。