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基于热衰退工况的制动冷却仿真技术2

2021-02-26 17:35:10·  来源：中汽中心空气动力学实验室  作者：CATARC-AERO  
　
本次将具体介绍团队开发的热衰退工况下的制动冷却仿真新技术。该技术运用Starccm+的co-simulation功能，通过合理建立流体与固体两个计算域以及计算域间流场与温
本次将具体介绍团队开发的热衰退工况下的制动冷却仿真新技术。该技术运用Starccm+的co-simulation功能，通过合理建立流体与固体两个计算域以及计算域间流场与温度场的数据映射策略，耦合各计算域中质量、动量以及能量传递的相关计算。其中，流体计算域的结构如图1所示，计算域中包含有待测车辆的半车CFD模型。该模型包括所有影响该车辆空气动力学性能的部分并最大程度的保留了制动器各部件及轮胎，轮辋处几何细节。同时，为考虑车轮与刹车盘附近气流的旋转效应，将刹车盘的通风道与轮辋辐条单独划分子区域并运用多重参考坐标（MRF）法设置区域转速。
 
图1. 流体计算域结构
与流体计算域不同，固体计算域仅包含刹车盘、刹车片、制动钳、防尘挡板、轮毂、转向节等待测车辆制动系统中涉及摩擦热量产生及传递的重要零部件，如图2所示。其中，各部件之间按实际装配状态设置接触，并为刹车盘、轮毂等发生实际旋转的部件设置刚体转速。
图2. 固体计算域结构
 
接着，构建热衰退工况各循环中车辆的行驶速度及刹车盘等旋转部件转速的变化模型。如图3所示，将各循环分解成“减速-停止-加速-恒速”四个连续时段且假定减速与加速时段中测试车辆的减速度与加速度维持恒定，用式（1）描述各循环中刹车盘角速度w（i）随测试时间的变化：
其中，
 
R：车轮半径。
图3. 热衰退工况速度变化周期
 
根据式（4）计算刹车盘与刹车片表面热通量，为固体域中刹车片与刹车盘摩擦面需设置热通量边界条件，
最后，采用数据映射法进行流固双计算域耦合计算。如图4所示，该方法通过合适的流、固计算域数据映射策略实现稳态流体计算与瞬态固体计算的耦合。以流体计算域的稳态计算作为起始计算，当计算结果达到收敛条件后，将制动零部件表面对流换热系数（HTC）及附近流体温度的结果映射到固体计算域中作为其在某时刻的初始边界条件。随后，发起固体计算域的瞬态计算，并在经过一定计算时间后，将制动零部件表面温度结果数据映射回流体计算域中，由流体计算域进行下一次稳态计算。该过程持续进行直至固体计算域计算至测试结束时间点为止。耦合仿真过程中规定，
 
 
图4：双计算域耦合计算流程
 
为验证仿真结果的准确性，团队进行了实际道路测试，测试车辆及该车制动系统各零部件的几何特征均与仿真计算域中的描述相一致。图5展示了测试过程中的车辆行驶速度变化曲线，其中可获得表1所示的关键时间节点，可用于确定各循环内减速与加速时段的速度变化率。
图5. 车速监测数据图
 
表1. 时间节点
 
 在进行完整测试过程的仿真之前，团队先对模型中的可调节参数nd（i）与na（i）进行了参数敏感性分析。这两个参数分别描述了仿真过程中各减速段与加速段的场数据交换频率，由于此次试验中各热衰退循环过程十分接近，故敏感性分析可只针对第一循环展开。进行敏感性分析的目的在于找到这两个参数的最优设定。很明显，nd（i）与na（i）的值越小，仿真结果的准确性越高，但计算用时也会显著增加。考虑到仿真精度与计算资源消耗的平衡，并结合分析结果，两个参数的最优值为nd（i）=2与 na（i）=40。可以看出，nd（i）与 na（i）nd（i）的最优值具有较大差异，这是由于制动热量只在各减速段产生，且各加速段用时普遍大幅长于各减速段，故仿真过程中各加速段的场间数据交换频率可大幅低于各减速段。从图6可以看出，即便仿真过程中并无任何关于摩擦应力的实质计算，仿真结果依旧能还原出真实制动过程中刹车盘摩擦面上热量的生成及传递方式以及摩擦面上温度的非均匀分布特性，在兼顾计算效率的同时确保仿真结果的准确度，这是传统仿真方法所不具备的优点。
 
图6. 刹车盘表面温度仿真结果
 
随后，我们将仿真结果与试验结果进行比对。图7展示出了热电偶埋入位置上仿真结果与试验数据的对比。可以看到，该位置上温度随时间变化的仿真结果在大体趋势上与试验监测结果相吻合，但在各循环制动冷却阶段的早期（即te（i）d（i+1）），该处仿真温度的下降速率明显高于测量结果。造成此偏差的原因主要是热电偶的响应延迟（即热惰）效应，而随着制动冷却过程的进行，该效应的影响也逐渐降低，当长达几十秒的冷却过程结束时（即t=td（i+1）），该效应对温度监测的影响可基本忽略，此时刻仿真与试验结果的偏差均小于10ºC。由此可见该仿真方法对于热衰退工况下刹车盘的制动冷却能力（即温度变化）具有极强的预测能力。
图7. 热电偶处仿真温度变化与路试监测值对比
 
至此，基于热衰退工况的制动冷却仿真新技术的提出及验证过程已基本介绍完毕，更为详尽的内容可参考团队发表的SAE文章[1]。相比于传统仿真方法，该方法在计算效率的提升上效果明显。未来，团队将集中在如何运用该方法对具体车型刹车盘的制动冷却性能进行优化，并研究各优化方案对于该车其他空气动力学特性（如风阻，风噪等）的影响。在今后的推送中，我们将对研究进展及成果进行更为详细的介绍，敬请期待。
参考文献
[1] Zhang, Y., Liu, X., and Wang, H., “On a Novel Simulation Approach for Estimating the Cooling Performance of Automotive Brakes under the Scenario of Fading Stop Cycles,” SAE Technical Paper 2021-01-5018, 2021, doi:10.4271/2021-01-5018.
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