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車速對整車下不同車輪散熱性能影響

2020-10-13 22:53:36·  來源：同濟大學 上海地面交通工具風洞中心  作者：李龍強 賈青 夏超 楊志剛  
　
1 熱環(huán)境風洞試驗本次實驗所選用的實驗車輛的車輪為原始車輪與氣動優(yōu)化后的車輪如圖1 所示，氣動優(yōu)化車輪相較于原始車輪降低了整車氣動阻力0.008。如圖2所示，是
1 熱環(huán)境風洞試驗

本次實驗所選用的實驗車輛的車輪為原始車輪與氣動優(yōu)化后的車輪如圖1 所示，氣動優(yōu)化車輪相較于原始車輪降低了整車氣動阻力0.008。

 
如圖2所示，是整個實驗信號采集與儲存系統(tǒng)，測量共分為兩個路線，一條路線是對制動盤的溫度測量，另一條路線是對前艙熱源部件及車輪周圍部件及空氣溫度測量，對于制動盤的溫度需要經過滑環(huán)傳送到數(shù)據(jù)采集儀，而對于其它部件測溫直接連接到數(shù)據(jù)采集儀上。

 
實驗測量的制動盤為實車的右前通風制動盤，通風制動盤打孔的直徑大小為2mm如圖3所示。K型熱電偶的測頭緊挨制動盤盤體，扭轉尾端從制動盤的通風道引出，采用一塊鐵片將熱電偶壓住并將鐵片焊接在盤體上以固定熱電偶，再通過制動盤盤轂上的螺紋孔引出制動盤，連接到滑環(huán)上，最后安裝在滑環(huán)上的滑環(huán)支架采用真空磁性吸盤固定在車身上如圖4所示。對于右前車輪入口、右前輪拱罩前側及后側測點的溫度采用J型熱電偶測量。

 
圖5是固定在熱環(huán)境風洞轉鼓上的實車。本次實驗共計4個工況，分別針對原始車輪和氣動優(yōu)化后的車輪各進行兩組不同車速的車輪散熱性能實驗，即60Kph恒速冷卻以及30Kph恒速冷卻。實驗重點關注車輪對制動盤散熱性能的影響，驗證和比較恒速冷卻工況下制動盤溫度從500℃降低到100℃所需要的冷卻時間[9]。

 
2 CFD 數(shù)值計算

2.1 計算模型

本文計算采用某轎車整車模型為載體如圖6所示，模型主要包括車身、車輪、制動器、底盤、前艙內部重要部件。包括制動鉗、剎車片、通風制動盤如圖7(a)所示，其中通風制動盤通風道是用41個傾斜散熱筋構成如圖7(b)所示。

 
計算域如圖8所示，制動盤網格大小為1mm，車輪網格大小為6.25mm，車身其他部位網格為12.5mm，其他計算域網格大小變化范圍為25~200mm,總體網格數(shù)約3500萬，圖9是計算域及車輪輪腔網格，其中為了使得計算結果的準確性，車輪輪腔（包括制動盤）采用四面體網格，其它計算域采用Trimmer網格。

制動盤材料設置為灰鑄鐵，密度7200kg/m3，比熱容460J/(kg.K)，熱傳導率54W/(m.K)。車輪轉速、制動盤轉速以及地面移動速度根據(jù)實際工況設置。計算域入口設置為速度入口，計算域出口設置為壓力出口（0Pa）。
 
車速對整車下不同車輪散熱性能影響
 
2.2 計算方法

本文是基于STAR CCM+軟件進行數(shù)值計算，根據(jù)計算需求，共有定常與非定常兩種方式的數(shù)值計算。定常計算時湍流數(shù)值模擬采用ReynoldsAverageNavier-Stokes(RANS)方法，非定常計算時，湍流數(shù)值模擬采用Unsteady-StateReynoldsAverageNavier-Stokes (URANS)，兩者計算都采用分離式求解器，其適用于不可壓縮及適當壓縮的流動。本文中的流體采用不可壓縮，選用兩方程的Realizable k-ε模型作為湍流模型，壁面函數(shù)采用Two Layer All y+ Wall Treatment。進行離散化時，采用二階迎風格式，其可以較快的達到計算精度。計算熱時，采用Boussinesq Model，其只考慮溫度變化而忽略壓強變化引起的密度變化。

車輪分為車輪輪腔與輪胎兩部分，其中車輪輪腔的旋轉速度采用MRF方法，（MRF區(qū)域構建需要將整個車輪輪腔封閉，在輪胎與輪輞連接處構建一圓柱側面以封閉輪腔如圖9所示）。其模型假設網格單元做勻速運動，實際上不是流體旋轉，而是坐標系在旋轉，以此來達到周圍流體的旋轉效果。輪胎采用旋轉壁面法，兩者旋轉速度相同。
 
在CFD計算制動盤散熱過程中涉及到流體之間的傳熱、固體內部的傳熱，流體與固體之間的傳熱。流體與相鄰固體之間的耦合傳熱稱為共軛傳熱，對于耦合傳熱分析，能量方程在流體和固體交界面處進行有效的隱式熱耦合求解。

制動盤散熱采用流固耦合的方法計算可用圖10表示，在速度及固體表面溫度求解出對流換熱系數(shù)及流體溫度，再傳送到熱傳導求解器中，再加上材料屬性求解出固體表面溫度，然后再循環(huán)，每循環(huán)一次求解出通風制動盤一個瞬態(tài)溫度。
 
3 實驗與仿真數(shù)據(jù)分析

3.1 原始車輪和優(yōu)化車輪的實驗與仿真結果對比

選擇車速恒為60Kph工況的冷卻階段的原始車輪與氣動優(yōu)化車輪（制動盤溫度從500℃冷卻到100℃）作為實驗與仿真的對標工況，并針對車輪周圍流場的溫度進行驗證分析。

3.1.1 制動盤溫度對比

圖11給出了原始車輪在60Kph工況下，制動盤溫度從500℃降到100℃所需冷卻時間的實驗和仿真對比結果。從圖11中制動盤溫度隨冷卻時間的變化曲線均可看出，仿真與實驗的制動盤溫度變化曲線相近，仿真得到的制動盤溫度曲線略高于實驗下得到的制動盤溫度曲線，相差18℃，誤差為4.5%。即可得到實驗和仿真的結果吻合性較好，其誤差基本在實際工程的可接受范圍內。

 
3.1.2 車輪周圍流場溫度驗證

在制動盤溫度從500℃冷卻到100℃這段時間，分析實驗與仿真的右前車輪入口、右前輪拱罩前側及后側測點的溫度。如圖12可知，仿真與實驗所得到的車輪周圍流場溫度均在25～29℃之間，且車輪入口的溫度在實驗與仿真中均是最小的；在實驗中的輪拱罩的周圍流場溫度均高于仿真的輪拱罩周圍流場溫度，此外，不論仿真還是實驗的輪拱罩前側與后側的流場溫度相差很小。且三個測點的溫度誤差最大值不超過4℃，因此可以說明仿真中車輪周圍流場溫度和實驗測量值吻合良好。
 

3.2 不同車速下實驗與仿真對比分析

如圖13所示是四種實驗工況的制動盤溫度變化曲線，可以看出在相同車速下原始車輪的制動盤溫度冷卻速度均高于氣動優(yōu)化車輪，即氣動優(yōu)化車輪相較于原始車輪是不利于制動盤散熱，但在30Kph車速下氣動優(yōu)化車輪的制動盤相較于原始車輪的制動盤冷卻所需的時間所需時間較長。為了分析其原因，在仿真計算中比較了30Kph、60Kph、120Kph車速下兩種車輪的散熱性能。

 
如表1所示，列舉了仿真計算中的相同冷卻時間（相同冷卻時間為冷卻速度快的原始車輪下制動盤溫度從500℃車速冷卻到100℃所需時間），兩種車輪在不同車速下制度盤溫度對比，從仿真計算中也可以看出。30Kph車速下不利于氣動優(yōu)化車輪散熱，但在中速、高速下氣動優(yōu)化車輪散熱效果與原始車輪相差很小。

 
為了探究不同車速下不同車輪散熱性能差異大的具體原因，分析了30kph車速與60Kph車速的車輪周圍流場的流動狀況以及制動盤通風道的流速如圖14與圖15所示（120Kph 與60Kph流動狀況相似，這里不再贅述）。
比較兩種車速下原始車輪與氣動優(yōu)化車輪的周圍流場的流動情況，重點關注位置有三個位置如圖14所示：輪腔內制動盤周圍的流場1、從車輪內側的后側氣流流出的流動狀況2、以及從車輪尾部氣流向外流出的流動狀況3。從圖中明顯看出圖中位置2、位置3處的流場，原始車輪的流速小于氣動優(yōu)化車輪，氣流在流入輪腔內的氣流，在氣動優(yōu)化車輪中從后側流出的氣流流速要高于原始車輪，然后從車輪尾端向外流出，且30Kph車速下的氣動優(yōu)化車輪在這兩處表現(xiàn)的尤為明顯。從位置1中可以看出在原始車輪的流速要高于氣動優(yōu)化車輪，特別是在車速為30Kph車速下，原始車輪與氣動優(yōu)化車輪在位置1處流速差異非常明顯。

比較兩種車輪在車速在30Kph以及60Kph下制動盤通風道流速如圖15所示，可以看出原始車輪下制動盤的通風道的流速明顯高于氣動優(yōu)化車輪，且30Kph車速下兩種車輪的制動盤通風道流速差異更加明顯，其原因就是上述分析的位置1，在制動盤周圍的流速低，進而導致流入通風道的氣流流速低。

通過上述對車輪周圍的流場及制動盤通風道流速的分析可知，30Kph氣動優(yōu)化車輪散熱性能差的原因：其進入輪腔的氣流更多的是從車輪內側的后側流出，然后經過車輪尾部向外流出，而流入車輪輪腔特別是制動盤周圍的流速很低，從而降低了制動盤的散熱性能。
 
 
 
 
4 總結

實驗與仿真的制動盤溫度變化吻合性較好，實驗與仿真的誤差為4.5%，其誤差基本在實際工程的可接受范圍內。實驗與仿真的車輪周圍流場溫度最大溫度誤差不超過4℃，進一步的驗證了仿真的準確性。

無論車速是低速還是高速都表明氣動優(yōu)化后的車輪相較于原始車輪是不利于制動盤的散熱，特別是在低速下，氣動優(yōu)化車輪相較于原始車輪散熱性差異較大，但在中速、高速下，氣動優(yōu)化車輪與原始車輪的散熱性能差異較小，其原因時低速時的氣動優(yōu)化車輪中，進入輪腔的氣流更多的是從車輪內側的后側流出，然后經過車輪尾部向外流出，而流入車輪輪腔特別是制動盤周圍的流速很低，從而降低了制動盤的散熱性能。
（摘自：李龍強 賈青 夏超 楊志剛-車速對整車下不同車輪散熱性能影響-同濟大學 上海地面交通工具風洞中心）
 
 
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