基于計算流體力學的汽車制動盤散熱特性研究

張霞　鄭偉奇　陳勇

摘要：文章基于計算流體力學的方法，數值模擬了氣流在車輪拱輪中的運動軌跡，分析了導流通道對制動盤散熱特性的影響，結果表明：開設導流通道可在保持風阻系數基本不變的情況下，增強制動盤的散熱效果。

關鍵詞：計算流體力學；汽車制造；導流通道；制動盤；散熱性能；車輪拱輪 文獻標識碼：A

中圖分類號：U270 文章編號：1009-2374（2016）13-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.005

當車輛處于緊急制動、頻繁制動或持續下坡制動時，制動盤的溫度會急劇升高，這容易導致制動失效或輪胎起火等嚴重交通事故。如何使制動盤在工作過程中迅速降溫是汽車安全行駛的前提。通常，制動盤安裝在汽車車輪的內部，其冷卻過程與輪輻、輪拱等周邊零部件的結構及布置方式等關系密切。因此，分析車輪的輪拱結構對制動盤散熱特性的影響規律，具有重要的工程意義。

近年來，國內外學者對汽車制動過程中的動力學問題進行了大量的研究。Arthur Stephens采用實驗的方法測量了在多種實際工況下，旋轉徑向通風制動盤的內部空氣流動情況。測試工況包括：單個制動盤在靜止的空氣中旋轉；將制動盤安裝至車輪相應位置后，在靜止的空氣中旋轉；將制動盤安裝在車輪中，在流動的空氣中旋轉以及用四分之一實車模擬的公路制動工況。研究結果表明：與單個制動盤的制動效果相比，四分之一實車模擬的公路制動工況下的制動盤內部通道的氣流顯著減少。類似的，G P Voller等學者也發現：車輪的存在的確削弱了制動盤的散熱效果。為了提高車輛制動的冷卻效率，Zheng WQ首次提出了一種風扇式輪輻結構，它能夠在保證制動盤結構不變的情況下，增強車輛的對流散熱效果，并應用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamic，簡稱CFD）方法研究了輻板數量以及輻板扭轉角對制動盤冷卻效果的影響規律。Thomas Schuetz以提高制動散熱效果為目標，對車身結構進行了優化設計，將由發動機排出的氣流直接被引流至制動器區域，大大增加了流經車輪結構及制動盤內的空氣流量。

為增加車輪輪拱內的氣體流量，增強車輛的制動散熱效果，本文以車輪及其所在的輪拱為研究對象，在車身結構的進氣格柵與輪拱之間增設導流通道，采用計算流體力學方法，分析其對制動盤散熱性能的影響規律。

1 數值模型的建立

選取某款常見轎車的車身結構（基準輪拱的長、寬、高分別為2681.7mm、1196.37mm、943.72mm）為研究對象，在距離車底盤8cm高度處，增設入口面積為7000mm2的導流通道。采用有限元法建立三維數值模型，分別使用四面體網格、六面體與四面體混合網格劃分車輪總成結構。經過網格無關解驗證后，最終確定網格總單元數為1520204。有限元模型中的各部件主要參數為輪輻、輪輞及螺栓部件的密度為7840kg/m3，定壓比熱為465J/（kg·K），導熱系數為48W/（m·K）；制動鼓密度為7570kg/m3，定壓比熱為470J/（kg·K），導熱系數為36W/（m·K）；空氣密度為1.029kg/m3，動力黏性系數為2.06×10-5kg/（m·s），定壓比熱為1009J/（kg·K），導熱系數為0.0296W/（m·K）。

設置車身為無滑移邊界條件，采用穩態求解器進行求解。汽車車輪制動鼓散熱時，車輪和車身周圍空氣的對流換熱問題為非定常三維不可壓流動傳熱問題，需滿足如下的連續方程、動量方程及能量方程：

式中：u為速度分量；T為溫度；μ為動力黏性系數；F為質量力；ρ為密度；Cp為定壓比熱；k為導熱系數。在計算車輪及車身外部流動換熱問題時，還需考慮車輪結構內部的導熱問題，即滿足式（3）中的能量方程。應用一階迎風格式描述動量及能量方程的離散格式，采用基于壓力求解器的隱式求解算法對式（1）至式（3）進行求解。

2 結果分析

增設導流通道后，車輪制動盤表面對流換熱系數的分布云圖，如圖1所示。從該圖可知：增設導流流通道后，制動盤表面平均對流換熱系數有所提高，可達91.97W/m2·K。

從圖2中可知：開設導流通道后，輪拱內部流場分布非常復雜，由于車輪的旋轉及其復雜的幾何形狀，形成了大量的流動分離和渦流。來自車輛前方的氣流通過導流通道進入輪拱，一部分流經車輪外側直接進入周圍空氣；另一部分流經制動盤表面后，以渦旋流動的形式散失在輪拱外部，制動盤的散熱效果增強。

3 結語

本文采用計算流體力學方法，分析了導流通道對制動盤散熱效果的影響。由數值模擬結果可知：在通向輪拱內，開設導流通道可有效提高制動盤的散熱特性。

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基金項目：山東省2015年民辦本科高校優勢特色專業支持計劃。

作者簡介：張霞（1959-），女，黑龍江哈爾濱人，青島理工大學琴島學院機電工程系副教授，研究方向：計算流體力學方面的數值模擬。

（責任編輯：黃銀芳）