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车速对整车下不同车轮散热性能影响
2020-10-13 22:53:36· 来源：同济大学 上海地面交通工具风洞中心 作者：李龙强 贾青 夏超 杨志刚
1 热环境风洞试验本次实验所选用的实验车辆的车轮为原始车轮与气动优化后的车轮如图1 所示，气动优化车轮相较于原始车轮降低了整车气动阻力0.008。如图2所示，是
1 热环境风洞试验
本次实验所选用的实验车辆的车轮为原始车轮与气动优化后的车轮如图1 所示，气动优化车轮相较于原始车轮降低了整车气动阻力0.008。
如图2所示，是整个实验信号采集与储存系统，测量共分为两个路线，一条路线是对制动盘的温度测量，另一条路线是对前舱热源部件及车轮周围部件及空气温度测量，对于制动盘的温度需要经过滑环传送到数据采集仪，而对于其它部件测温直接连接到数据采集仪上。
实验测量的制动盘为实车的右前通风制动盘，通风制动盘打孔的直径大小为2mm如图3所示。K型热电偶的测头紧挨制动盘盘体，扭转尾端从制动盘的通风道引出，采用一块铁片将热电偶压住并将铁片焊接在盘体上以固定热电偶，再通过制动盘盘毂上的螺纹孔引出制动盘，连接到滑环上，最后安装在滑环上的滑环支架采用真空磁性吸盘固定在车身上如图4所示。对于右前车轮入口、右前轮拱罩前侧及后侧测点的温度采用J型热电偶测量。
图5是固定在热环境风洞转鼓上的实车。本次实验共计4个工况，分别针对原始车轮和气动优化后的车轮各进行两组不同车速的车轮散热性能实验，即60Kph恒速冷却以及30Kph恒速冷却。实验重点关注车轮对制动盘散热性能的影响，验证和比较恒速冷却工况下制动盘温度从500℃降低到100℃所需要的冷却时间[9]。
2 CFD 数值计算
2.1 计算模型
本文计算采用某轿车整车模型为载体如图6所示，模型主要包括车身、车轮、制动器、底盘、前舱内部重要部件。包括制动钳、刹车片、通风制动盘如图7(a)所示，其中通风制动盘通风道是用41个倾斜散热筋构成如图7(b)所示。
计算域如图8所示，制动盘网格大小为1mm，车轮网格大小为6.25mm，车身其他部位网格为12.5mm，其他计算域网格大小变化范围为25~200mm,总体网格数约3500万，图9是计算域及车轮轮腔网格，其中为了使得计算结果的准确性，车轮轮腔（包括制动盘）采用四面体网格，其它计算域采用Trimmer网格。
制动盘材料设置为灰铸铁，密度7200kg/m3，比热容460J/(kg.K)，热传导率54W/(m.K)。车轮转速、制动盘转速以及地面移动速度根据实际工况设置。计算域入口设置为速度入口，计算域出口设置为压力出口（0Pa）。
2.2 计算方法
本文是基于STAR CCM+软件进行数值计算，根据计算需求，共有定常与非定常两种方式的数值计算。定常计算时湍流数值模拟采用ReynoldsAverageNavier-Stokes(RANS)方法，非定常计算时，湍流数值模拟采用Unsteady-StateReynoldsAverageNavier-Stokes (URANS)，两者计算都采用分离式求解器，其适用于不可压缩及适当压缩的流动。本文中的流体采用不可压缩，选用两方程的Realizable k-ε模型作为湍流模型，壁面函数采用Two Layer All y+ Wall Treatment。进行离散化时，采用二阶迎风格式，其可以较快的达到计算精度。计算热时，采用Boussinesq Model，其只考虑温度变化而忽略压强变化引起的密度变化。
车轮分为车轮轮腔与轮胎两部分，其中车轮轮腔的旋转速度采用MRF方法，（MRF区域构建需要将整个车轮轮腔封闭，在轮胎与轮辋连接处构建一圆柱侧面以封闭轮腔如图9所示）。其模型假设网格单元做匀速运动，实际上不是流体旋转，而是坐标系在旋转，以此来达到周围流体的旋转效果。轮胎采用旋转壁面法，两者旋转速度相同。
在CFD计算制动盘散热过程中涉及到流体之间的传热、固体内部的传热，流体与固体之间的传热。流体与相邻固体之间的耦合传热称为共轭传热，对于耦合传热分析，能量方程在流体和固体交界面处进行有效的隐式热耦合求解。
制动盘散热采用流固耦合的方法计算可用图10表示，在速度及固体表面温度求解出对流换热系数及流体温度，再传送到热传导求解器中，再加上材料属性求解出固体表面温度，然后再循环，每循环一次求解出通风制动盘一个瞬态温度。
3 实验与仿真数据分析
3.1 原始车轮和优化车轮的实验与仿真结果对比
选择车速恒为60Kph工况的冷却阶段的原始车轮与气动优化车轮（制动盘温度从500℃冷却到100℃）作为实验与仿真的对标工况，并针对车轮周围流场的温度进行验证分析。
3.1.1 制动盘温度对比
图11给出了原始车轮在60Kph工况下，制动盘温度从500℃降到100℃所需冷却时间的实验和仿真对比结果。从图11中制动盘温度随冷却时间的变化曲线均可看出，仿真与实验的制动盘温度变化曲线相近，仿真得到的制动盘温度曲线略高于实验下得到的制动盘温度曲线，相差18℃，误差为4.5%。即可得到实验和仿真的结果吻合性较好，其误差基本在实际工程的可接受范围内。
3.1.2 车轮周围流场温度验证
在制动盘温度从500℃冷却到100℃这段时间，分析实验与仿真的右前车轮入口、右前轮拱罩前侧及后侧测点的温度。如图12可知，仿真与实验所得到的车轮周围流场温度均在25～29℃之间，且车轮入口的温度在实验与仿真中均是最小的；在实验中的轮拱罩的周围流场温度均高于仿真的轮拱罩周围流场温度，此外，不论仿真还是实验的轮拱罩前侧与后侧的流场温度相差很小。且三个测点的温度误差最大值不超过4℃，因此可以说明仿真中车轮周围流场温度和实验测量值吻合良好。
3.2 不同车速下实验与仿真对比分析
如图13所示是四种实验工况的制动盘温度变化曲线，可以看出在相同车速下原始车轮的制动盘温度冷却速度均高于气动优化车轮，即气动优化车轮相较于原始车轮是不利于制动盘散热，但在30Kph车速下气动优化车轮的制动盘相较于原始车轮的制动盘冷却所需的时间所需时间较长。为了分析其原因，在仿真计算中比较了30Kph、60Kph、120Kph车速下两种车轮的散热性能。
如表1所示，列举了仿真计算中的相同冷却时间（相同冷却时间为冷却速度快的原始车轮下制动盘温度从500℃车速冷却到100℃所需时间），两种车轮在不同车速下制度盘温度对比，从仿真计算中也可以看出。30Kph车速下不利于气动优化车轮散热，但在中速、高速下气动优化车轮散热效果与原始车轮相差很小。
为了探究不同车速下不同车轮散热性能差异大的具体原因，分析了30kph车速与60Kph车速的车轮周围流场的流动状况以及制动盘通风道的流速如图14与图15所示（120Kph 与60Kph流动状况相似，这里不再赘述）。
比较两种车速下原始车轮与气动优化车轮的周围流场的流动情况，重点关注位置有三个位置如图14所示：轮腔内制动盘周围的流场1、从车轮内侧的后侧气流流出的流动状况2、以及从车轮尾部气流向外流出的流动状况3。从图中明显看出图中位置2、位置3处的流场，原始车轮的流速小于气动优化车轮，气流在流入轮腔内的气流，在气动优化车轮中从后侧流出的气流流速要高于原始车轮，然后从车轮尾端向外流出，且30Kph车速下的气动优化车轮在这两处表现的尤为明显。从位置1中可以看出在原始车轮的流速要高于气动优化车轮，特别是在车速为30Kph车速下，原始车轮与气动优化车轮在位置1处流速差异非常明显。
比较两种车轮在车速在30Kph以及60Kph下制动盘通风道流速如图15所示，可以看出原始车轮下制动盘的通风道的流速明显高于气动优化车轮，且30Kph车速下两种车轮的制动盘通风道流速差异更加明显，其原因就是上述分析的位置1，在制动盘周围的流速低，进而导致流入通风道的气流流速低。
通过上述对车轮周围的流场及制动盘通风道流速的分析可知，30Kph气动优化车轮散热性能差的原因：其进入轮腔的气流更多的是从车轮内侧的后侧流出，然后经过车轮尾部向外流出，而流入车轮轮腔特别是制动盘周围的流速很低，从而降低了制动盘的散热性能。
4 总结
实验与仿真的制动盘温度变化吻合性较好，实验与仿真的误差为4.5%，其误差基本在实际工程的可接受范围内。实验与仿真的车轮周围流场温度最大温度误差不超过4℃，进一步的验证了仿真的准确性。
无论车速是低速还是高速都表明气动优化后的车轮相较于原始车轮是不利于制动盘的散热，特别是在低速下，气动优化车轮相较于原始车轮散热性差异较大，但在中速、高速下，气动优化车轮与原始车轮的散热性能差异较小，其原因时低速时的气动优化车轮中，进入轮腔的气流更多的是从车轮内侧的后侧流出，然后经过车轮尾部向外流出，而流入车轮轮腔特别是制动盘周围的流速很低，从而降低了制动盘的散热性能。
（摘自：李龙强 贾青 夏超 杨志刚-车速对整车下不同车轮散热性能影响-同济大学 上海地面交通工具风洞中心）
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