機車車輪對流傳熱系數計算

朱琳　王勵　石偉

摘要：對流傳熱系數的準確計算對研究機車車輪溫度場和應力場及其疲勞壽命預測有重要意義.針對HXD2機車車輪踏面制動過程，建立車輪及其繞流流場計算模型，應用CFD方法通過仿真得到機車車輪在不同運行速度下的對流傳熱系數.結果表明：由于車輪自身旋轉，車輪表面不同位置處的對流傳熱系數不同；車輪上半迎風面的對流傳熱系數較大，下半迎風面較小，且都大于背風面數值.計算結果為研究機車車輪對流傳熱、蠕滑和制動等傳熱過程提供參考.

關鍵詞：機車； 車輪； 對流傳熱系數； 蠕滑； 制動； CFD

中圖分類號： TH117.1； U260.3311

文獻標志碼： B

0引言

鐵路運輸作為最重要的運輸手段之一，在國民經濟運行中發揮重要作用.隨著重載和高速技術的發展，機車制動能量需求越來越大.[1]踏面制動和盤式制動的安全性和可靠性成為研究領域的熱點.

當機車踏面制動時，在制動缸空氣壓力作用下，制動閘瓦與車輪踏面發生劇烈接觸摩擦，巨大的機車運行動能在較短時間內轉化成熱能傳入車輪，車輪快速升溫.[2]由于機車車輪承受大軸重載荷和大運

行牽引力作用，摩擦升溫后溫度載荷帶來的熱應力與循環加載的機械載荷造成的機械應力疊加，所以車輪內應力分布狀態異常復雜.此外，車輪鋼材料的屈服極限和抗拉強度等力學性能參數隨溫度變化較大.[34]因此，準確獲得制動時車輪的實時溫度對分析車輪應力分布狀態、計算殘余應力分布和預測車輪疲勞壽命等具有重要意義.[57]

當機車車輪制動時，制動摩擦產生的熱量使車輪升溫，且大部分通過繞流傳入空氣.因此，對流傳熱系數的確定成為研究溫度場分布的重要工作.現有研究多數利用圓柱繞流的傳熱學解析公式求得規則圓盤結構的對流傳熱系數，作為不規則車輪結構對流傳熱系數的近似解.[810]因車輪外形近似處理且忽略車輪轉動效應導致繞流流場變化，所以在某些運行工況下解析方法得到的對流傳熱系數會產生較大誤差.本文分別建立重載機車HXD2的J2鋼車輪及周圍空氣流場的計算模型，基于CFD方法通過數值仿真分析車輪的對流傳熱系數.

1有限元模型的建立

以HXD2重載機車車輪為研究對象，研究列車運行速度小于120 km/h時機車車輪的對流傳熱系數.將行駛過程中的機車狀態進行簡化，只考慮單個車輪的溫度變化，忽略機車車體包括一系懸掛、基礎制動和電機懸掛等對車輪表面換熱的影響；同時，由于車輪與鋼軌之間接觸面很小，忽略接觸面處車輪和鋼軌與空氣之間的傳熱.

采用HXD2機車車輪實際尺寸建立三維結構模型.考慮機車直線行駛時車輪對有限體積內氣流的擾動影響，忽略車體懸掛及制動裝置對車輪表面換熱的影響，將繞流空氣簡化為一個大的長方體流體域.盡量滿足車輪周圍真實物理狀態，建立流場計算模型，流體域控制體上下控制面的位置依據機車底部和地面這2個物面的位置選取，前后控制面的位置依據仿真車輪與其前后車輪之間的距離選取，左右控制面的位置依據懸掛及制動裝置位置選取.同時，6個控制面的位置遵從外界擾動對控制體內流場流動影響不大的原則，以便使車輪流場的擾動對遠場邊界的影響很小.參與換熱的空氣包圍整個機車車輪，簡化模型見圖1.

應用CFD軟件FLUENT建立車輪結構與繞流空氣的計算模型.采用四面體網格單元劃分整個計算域.為保證換熱計算的準確性，對靠近車輪表面區域內的網格進行加密處理，網格劃分情況見圖2，計算模型總單元數為3 761 156個.

2流體動力學計算方法

流體域控制的來流面采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件.依據相對運動原理將機車速度換算為空氣來流速度，機車行駛速度等效為旋轉角速度.根據HXD2機車正常行駛速度范圍給定幾個離散速度值作為速度入口邊界條件分別進行計算.入口湍流邊界條件依據經驗公式得到，其中，湍流強度為2.41%，水力直徑取1.412 m.設流體域其他4個界面為絕熱邊界，車輪上下控制面滿足物面邊界條件，左右控制面滿足出入流邊界條件.

機車行駛速度較快，模擬過程涉及到空氣的湍流傳熱.車輪繞流流體具有較低雷諾數、可壓縮性和剪切流傳播等特點，仿真采用KOmega湍流模型的變形SST KOmega湍流模型，該模型在圓柱繞流的湍流換熱計算中具有較高的計算精度.速度與壓力的耦合運用SIMPLE半隱式迭代算法，壓力采用PRESTO離散格式.為獲得更準確的數值解，并保持最終解的穩定性，控制方程的擴散與對流相的離散格式采用2階迎風格式.

為計算車輪與空氣之間的傳熱，給定結構與流體之間的溫度差.由于車輪與空氣之間的傳熱系數主要由緊靠車輪處的空氣流動狀態決定，因此車輪表面設為恒溫邊界，對計算結果影響很小，通過流體熱流計算車輪與繞流空氣的對流傳熱系數.在計算過程中，車輪外表面溫度值取40 ℃，空氣來流溫度值取20 ℃.

3計算結果與討論

通過流體動力學計算，得到流場內的流線分布，見圖4，可知，車輪對前進方向的來流擾動范圍較小.車輪外表面為復雜的曲面，在空氣掠過車輪時流動狀態比較復雜.同時，車輪本身的旋轉導致來流氣體流過車輪的迎風面后向下流動，所以上、下兩部分流體域的流線不對稱，此流動特征對上、下兩部分車輪的對流傳熱系數產生不同影響.

機車行駛速度為120 km/h時的車輪外表面對流傳熱系數分布見圖5，可知，在繞流及車輪自身旋轉的影響下，迎風踏面的下半部分對流傳熱系數較小，上半部分對流傳熱系數較大；背風面對流傳熱系數較迎風面小；在同一迎風或背風區域，因車輪與繞流空氣的相對速度不同，對流傳熱系數不同.

4結論

采用CFD方法借助計算機高效建模和計算處理能力，為準確求解在不同速度下不規則機車車輪表面的對流傳熱系數提供參考.

（1）對流傳熱系數的產生及其數值大小直接受機車行駛速度的影響，且與機車運行速度基本滿足線性關系：機車運行速度越大，車輪整體的對流傳熱系數越大.

（2）由于機車車輪的運動形式特殊，車輪不同位置處的對流傳熱系數不同.在機車直道行駛等工況中，需要輸入車輪不同表面整體對流傳熱系數時，因CFD方法已經計算出所有車輪表面網格點處的對流傳熱系數值，通過積分可以快速準確地計算所需車輪各表面、各部位的整體對流傳熱系數，計算方法簡便、可靠.

（3）準確計算對流傳熱系數，對分析車輪蠕滑、制動、車輪與車軸傳熱以及車輪與空氣傳熱等有重要作用.對車輪溫度升高產生的應力場分布、溫度載荷與機械載荷產生的力熱耦合應力場分布、多載荷工況下的車輪殘余應力場分布、車輪裂紋萌生和擴展以及車輪循環加載下的疲勞與壽命等的分析和預測，對鐵路高速重載運行有重要意義.

參考文獻：

[1]馬大煒. 鐵道車輛制動熱負荷的計算及應用[J]. 中國鐵道科學， 2001， 21（4）： 3037.

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[10]趙海燕， 張海泉， 湯曉華， 等. 快速列車盤型制動熱過程有限元分析[J]. 清華大學學報： 自然科學版， 2005， 45（5）： 589592.

（編輯武曉英）

（2）由于機車車輪的運動形式特殊，車輪不同位置處的對流傳熱系數不同.在機車直道行駛等工況中，需要輸入車輪不同表面整體對流傳熱系數時，因CFD方法已經計算出所有車輪表面網格點處的對流傳熱系數值，通過積分可以快速準確地計算所需車輪各表面、各部位的整體對流傳熱系數，計算方法簡便、可靠.

（3）準確計算對流傳熱系數，對分析車輪蠕滑、制動、車輪與車軸傳熱以及車輪與空氣傳熱等有重要作用.對車輪溫度升高產生的應力場分布、溫度載荷與機械載荷產生的力熱耦合應力場分布、多載荷工況下的車輪殘余應力場分布、車輪裂紋萌生和擴展以及車輪循環加載下的疲勞與壽命等的分析和預測，對鐵路高速重載運行有重要意義.

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（編輯武曉英）

（2）由于機車車輪的運動形式特殊，車輪不同位置處的對流傳熱系數不同.在機車直道行駛等工況中，需要輸入車輪不同表面整體對流傳熱系數時，因CFD方法已經計算出所有車輪表面網格點處的對流傳熱系數值，通過積分可以快速準確地計算所需車輪各表面、各部位的整體對流傳熱系數，計算方法簡便、可靠.

（3）準確計算對流傳熱系數，對分析車輪蠕滑、制動、車輪與車軸傳熱以及車輪與空氣傳熱等有重要作用.對車輪溫度升高產生的應力場分布、溫度載荷與機械載荷產生的力熱耦合應力場分布、多載荷工況下的車輪殘余應力場分布、車輪裂紋萌生和擴展以及車輪循環加載下的疲勞與壽命等的分析和預測，對鐵路高速重載運行有重要意義.

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（編輯武曉英）