車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤內(nèi)部通道對(duì)流換熱的分析

賈曉麗，陳建平，劉璇

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展與進(jìn)步，汽車工業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，作為保障車輛行駛安全的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)，制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)發(fā)揮著極為重要的作用。相關(guān)從業(yè)者以及技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)從實(shí)際出發(fā)，明確通風(fēng)式制動(dòng)盤內(nèi)部對(duì)流換熱特性與設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而采用數(shù)學(xué)方法針對(duì)車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤對(duì)流換熱方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其散熱性能能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

1 通風(fēng)式制動(dòng)盤對(duì)流換熱影響要素

1.1 空氣質(zhì)量流量

空氣質(zhì)量流量，主要指的是單位時(shí)間內(nèi)流過的空氣質(zhì)量。受到車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)行特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)要求等因素的影響，其通道內(nèi)部的空氣質(zhì)量流量往往與制動(dòng)盤的整體散熱性能相關(guān)聯(lián)，經(jīng)實(shí)踐分析能夠得出結(jié)論，當(dāng)制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)內(nèi)部空氣質(zhì)量流量提升時(shí)，整個(gè)制動(dòng)盤的散熱效果越好。一些學(xué)者采用了粒子圖像測(cè)速儀針對(duì)通風(fēng)式制動(dòng)盤內(nèi)部熱交換狀態(tài)以及散熱情況進(jìn)行了觀測(cè)和分析，最終結(jié)果表明，受到制動(dòng)盤散熱通道結(jié)構(gòu)的影響，空氣在流經(jīng)通道入口時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生分離現(xiàn)象，使通道內(nèi)部出現(xiàn)熱量散布不均的現(xiàn)象，加大了通道變形的風(fēng)險(xiǎn)，因此在針對(duì)車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤內(nèi)部散熱通道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)充分考慮空氣質(zhì)量流量所帶來的相關(guān)影響。

1.2 對(duì)流換熱系數(shù)

對(duì)流換熱系數(shù)是熱力學(xué)研究過程中的另一項(xiàng)關(guān)鍵性概念，其主要指的是流體與固體表面之間接觸進(jìn)而形成的換熱能力，具體計(jì)算公式為：

式中，φ為對(duì)流換熱過程當(dāng)中固體表面與流體接觸時(shí)所產(chǎn)生的傳熱量，h為對(duì)流換熱系數(shù)，a為整個(gè)換熱過程當(dāng)中的接觸面積情況，tw與tf分別為固體與流體接觸換熱過程當(dāng)中的表面溫度狀態(tài)。

作為一個(gè)較為明確的對(duì)流換熱模型，在針對(duì)車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，其最終目標(biāo)是為了盡可能提升結(jié)構(gòu)內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)，使車輛制動(dòng)過程中所產(chǎn)生的熱量能夠在空氣流動(dòng)的助力下實(shí)現(xiàn)有效逸散，進(jìn)而進(jìn)一步強(qiáng)化車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤性能。

1.3 有效散熱面積

按照傅里葉定律可知，結(jié)構(gòu)表面積越大，其散熱效率越快，散熱性能越好，因此在車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤中，其有效散熱面積與制動(dòng)盤對(duì)流換熱性能之間呈現(xiàn)正相關(guān)。通常來說，在針對(duì)通風(fēng)式制動(dòng)盤進(jìn)行生產(chǎn)方案設(shè)計(jì)與規(guī)劃的過程中，往往會(huì)采用機(jī)加工方式將通風(fēng)式制動(dòng)盤表面進(jìn)行粗糙化處理，使制動(dòng)盤在運(yùn)行過程中能夠與外界空氣相接觸的面積不斷增大，使制動(dòng)盤表面散熱性能得到進(jìn)一步的提升。

在針對(duì)車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤進(jìn)行設(shè)計(jì)與生產(chǎn)時(shí)，其內(nèi)部葉片的表面積是影響其散熱性能的關(guān)鍵所在，但經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)分析過后則能夠得出結(jié)論，當(dāng)針對(duì)散熱葉片表面積進(jìn)行擴(kuò)大設(shè)計(jì)時(shí)，其結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化將會(huì)導(dǎo)致其空氣質(zhì)量流量不斷減少，進(jìn)而給制動(dòng)盤散熱性能帶來一定的負(fù)面影響。因此，在基于有效散熱面積針對(duì)通風(fēng)式制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和迭代的同時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)明確結(jié)合相關(guān)技術(shù)方法以及技術(shù)戰(zhàn)略，使散熱結(jié)構(gòu)的表面積與空氣流量情況達(dá)成全面平衡，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的散熱效果能夠達(dá)到更高水平。

2 制動(dòng)盤通道對(duì)流分析方法

在基于熱力學(xué)相關(guān)原理針對(duì)車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤的對(duì)流換熱情況進(jìn)行分析和研究的過程當(dāng)中，一般涵蓋了以下幾種分析方法以及分析策略。

2.1 解析法

20世紀(jì)中葉，由Wagner等為代表的學(xué)者針對(duì)理想狀態(tài)下實(shí)心圓盤模型運(yùn)行過程當(dāng)中的溫度變化情況進(jìn)行了近似分析，具體公式為：

以Newcomb等為代表的學(xué)者基于拉普拉斯變換公式，針對(duì)固體表面理想化生熱速率的狀態(tài)給出了對(duì)流熱損失與溫差之間的相互關(guān)系，認(rèn)為當(dāng)溫差擴(kuò)大時(shí)，流體與固體表面接觸產(chǎn)生對(duì)流換熱時(shí)出現(xiàn)的熱損失現(xiàn)象越明顯，與此同時(shí)，給出了理想狀態(tài)下車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤對(duì)流換熱的數(shù)學(xué)模型。

Sakamoto等學(xué)者從試驗(yàn)角度針對(duì)熱力學(xué)解析法進(jìn)行了驗(yàn)證，通過熱對(duì)流基本方程針對(duì)車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤運(yùn)行過程中的散熱速率進(jìn)行了計(jì)算，具體公式為：

式中，a為固體表面對(duì)流換熱過程中的冷卻速率，當(dāng)a值不斷擴(kuò)大時(shí)，車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤的冷卻性能越好，行駛過程中車輛的制動(dòng)性能越高。

2.2 流體力學(xué)計(jì)算法

在針對(duì)車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤對(duì)流換熱過程中的散熱性能進(jìn)行分析和研究的過程中，由于影響其散熱性能的要素較多，因此給計(jì)算過程帶來了一定的挑戰(zhàn)和困難。傳統(tǒng)的解析法僅能針對(duì)理想狀態(tài)下或標(biāo)準(zhǔn)模式下的車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤散熱性能進(jìn)行分析和驗(yàn)證，適用范圍受到限制和影響。因此，近年來，隨著熱力學(xué)研究的不斷推進(jìn)以及車輛制動(dòng)研究領(lǐng)域的不斷成熟，流體力學(xué)計(jì)算法逐漸成為通風(fēng)式散熱盤性能與效果的另一項(xiàng)重要計(jì)算方式。

相關(guān)技術(shù)人員可將三維熱傳導(dǎo)方程引入到通風(fēng)式制動(dòng)盤散熱性能的研究與計(jì)算領(lǐng)域中，并將不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下通風(fēng)式制動(dòng)盤的溫度反應(yīng)情況進(jìn)行記錄，使相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)能夠準(zhǔn)確獲取到差異化運(yùn)行條件下車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤的狀態(tài)分布以及溫度分布，并明確通風(fēng)散熱對(duì)制動(dòng)盤溫度變化情況所產(chǎn)生的影響。此外，為了更加充分地保障試驗(yàn)分析環(huán)境與車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤實(shí)際運(yùn)行環(huán)境之間的契合度，還可以在計(jì)算過程中引入動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)制動(dòng)盤運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，引進(jìn)制動(dòng)盤運(yùn)行過程中產(chǎn)生的平移、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而基于更加全面的角度對(duì)空氣流體與固體之間接觸散熱的最終效果進(jìn)行分析和闡述。

3 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)論

在針對(duì)車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤對(duì)流換熱情況進(jìn)行分析之前，相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及設(shè)計(jì)人員需要分別基于溫度與氣流兩方面要素進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，從而準(zhǔn)確掌握通風(fēng)式制動(dòng)盤運(yùn)行過程中其通道內(nèi)部的熱力狀態(tài)，使優(yōu)化方案下制動(dòng)盤的整體散熱性能得到更加顯著地提升。

3.1 溫度測(cè)試

溫度測(cè)試過程中，主要涵蓋以下幾種試驗(yàn)方法。

（1）熱電偶試驗(yàn)法，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)可采用K型熱電偶針對(duì)制動(dòng)盤通風(fēng)散熱過程中其表面不同點(diǎn)位的溫度變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在模擬制動(dòng)狀態(tài)下對(duì)各測(cè)量點(diǎn)位的溫度變化情況進(jìn)行比對(duì)和分析。為盡可能提升熱電偶試驗(yàn)法在通風(fēng)式制動(dòng)盤散熱性能研究過程中的精度與測(cè)量效果，有關(guān)技術(shù)人員以及測(cè)量團(tuán)隊(duì)需要針對(duì)熱電偶的布設(shè)位置以及測(cè)量頻次進(jìn)行更加全面地規(guī)劃，使制動(dòng)盤的平均溫度狀態(tài)得到更加準(zhǔn)確的顯現(xiàn)。

（2）瞬態(tài)液晶試驗(yàn)技術(shù)，基于杜哈梅爾原理，在溫度變化的前提下，液晶體的顏色也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過對(duì)制動(dòng)盤制動(dòng)運(yùn)作過程中其性能狀態(tài)、液晶色彩變化情況、降溫目標(biāo)以及降溫時(shí)間等要素進(jìn)行記錄結(jié)合測(cè)試，能夠使技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)較為準(zhǔn)確地掌握整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)流換熱過程中產(chǎn)生的換熱系數(shù)，使通風(fēng)式制動(dòng)盤的換熱設(shè)計(jì)得到最佳效果。

（3）紅外熱像儀試驗(yàn)技術(shù)。近年來，隨著光學(xué)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的全面發(fā)展，紅外熱像儀已成為進(jìn)行動(dòng)態(tài)溫度監(jiān)控的關(guān)鍵性工具之一，其具有功能全面、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、讀數(shù)精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，因此能夠?qū)?fù)雜環(huán)境下物體的溫度變化情況實(shí)施針對(duì)性監(jiān)控。相關(guān)人員可采用紅外熱像儀技術(shù)針對(duì)模擬狀態(tài)下的車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤溫度狀態(tài)變化情況進(jìn)行及時(shí)跟蹤，進(jìn)而掌握不同設(shè)計(jì)方案下制動(dòng)盤的散熱情況與運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)方案的全面優(yōu)化。但由于紅外熱像儀屬于精密儀器，因此在基于該設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)分析前，需要做好校準(zhǔn)工作，確保最終試驗(yàn)讀數(shù)的準(zhǔn)確可靠。

3.2 氣流測(cè)試

除了溫度試驗(yàn)外，在針對(duì)車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)還需要從氣流角度對(duì)其進(jìn)行測(cè)試和分析，從而明確不同方案下通風(fēng)式制動(dòng)盤通道當(dāng)中的對(duì)流散熱性能。

（1）可采用可視化技術(shù)針對(duì)通風(fēng)式制動(dòng)盤運(yùn)行過程當(dāng)中通道內(nèi)氣流狀況進(jìn)行觀察和驗(yàn)證。由于熱力學(xué)研究對(duì)氣流狀態(tài)的觀測(cè)與分析精度要求不高，因此可采用較為便捷的化學(xué)或物理式的可視化技術(shù)對(duì)氣流狀態(tài)進(jìn)行辨識(shí)，技術(shù)團(tuán)隊(duì)可在氣流內(nèi)部引入顏料顆粒物等，使其能夠呈現(xiàn)出氣流的流動(dòng)狀態(tài)，為通道對(duì)流換熱設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化提供支持。

（2）可采用粒子圖像測(cè)速儀針對(duì)模擬制動(dòng)狀態(tài)下氣流的運(yùn)行情況進(jìn)行觀察和監(jiān)控。相較可視化技術(shù)，粒子圖像測(cè)速儀主要依托光學(xué)原理對(duì)氣流速度場(chǎng)進(jìn)行量測(cè)，減少了人為因素對(duì)制動(dòng)狀態(tài)下冷卻氣流運(yùn)動(dòng)狀況產(chǎn)生的干預(yù)，使制動(dòng)盤冷卻通道內(nèi)部氣流的流速狀態(tài)得到較為明確的測(cè)定，有效確保了測(cè)量精度。

（3）可采用激光多普勒測(cè)速技術(shù)開展試驗(yàn)。受到激光光學(xué)特性的影響，導(dǎo)致其與運(yùn)動(dòng)過程中的微粒子可能會(huì)產(chǎn)生散射頻率背離現(xiàn)象，出現(xiàn)多普勒頻移，通過這一現(xiàn)象與特性，能夠較準(zhǔn)確地掌握流體運(yùn)動(dòng)過程中的速率，進(jìn)而為系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)計(jì)方案提供參考與引導(dǎo)。

（4）可采用熱線風(fēng)速儀進(jìn)行氣流運(yùn)動(dòng)特性的量測(cè)。受到車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行狀態(tài)等因素的影響，導(dǎo)致氣流在其內(nèi)部進(jìn)行活動(dòng)的過程當(dāng)中，呈現(xiàn)出非穩(wěn)態(tài)的形態(tài)，因此通道內(nèi)部的熱交換并不均衡。相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)可將風(fēng)速儀置于通風(fēng)式制動(dòng)盤出口部位，使模擬制動(dòng)過程中制動(dòng)盤出口部位的風(fēng)速與溫度參數(shù)都能夠較為直觀地展現(xiàn)在試驗(yàn)設(shè)備中，從而得到不同方案下氣流通過制動(dòng)盤通道的基本信息，提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平與設(shè)計(jì)成效。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱線風(fēng)速儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4 制動(dòng)盤通道換熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

在以往車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)與運(yùn)行過程中，受到其內(nèi)部散熱通道結(jié)構(gòu)的影響和制約，導(dǎo)致其內(nèi)部換熱性能往往存在一定欠缺，影響了制動(dòng)盤的安全性能，因此，有關(guān)技術(shù)人員以及設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照解析法以及流體力學(xué)試驗(yàn)法針對(duì)通道換熱情況進(jìn)行明確優(yōu)化，使車輛制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，制動(dòng)性能不斷提升。

4.1 通道內(nèi)流場(chǎng)分析

在模擬制動(dòng)狀態(tài)下車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤的運(yùn)行過程中，其內(nèi)部通風(fēng)肋板主要具備抽吸作用，因此，在針對(duì)流體流場(chǎng)進(jìn)行分析的過程中，可將制動(dòng)盤通道內(nèi)徑設(shè)置為流場(chǎng)入口，外徑部位設(shè)置為流場(chǎng)出口，進(jìn)而采用Fluent軟件針對(duì)制動(dòng)盤通道中不同部位在不同運(yùn)行速度下的空氣流動(dòng)情況進(jìn)行分析。其中，在制動(dòng)盤模擬制動(dòng)運(yùn)行過程當(dāng)中，流場(chǎng)中的氣流運(yùn)動(dòng)并不均衡，當(dāng)制動(dòng)車速不斷增加時(shí)，低流速區(qū)域的面積不斷擴(kuò)大，而高流速區(qū)域的空氣流速不斷增加，同時(shí)，在制動(dòng)盤運(yùn)行過程中，可能會(huì)在散熱通道內(nèi)部產(chǎn)生氣流渦流現(xiàn)象，需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案入手對(duì)氣流渦流現(xiàn)象進(jìn)行抑制和優(yōu)化。

4.2 通風(fēng)肋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在以往的通風(fēng)式制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，其通風(fēng)肋板結(jié)構(gòu)前后結(jié)構(gòu)變化不顯著，自入口至出口處的寬度基本等同，導(dǎo)致氣流在流動(dòng)過程中顯示出先慢后快的現(xiàn)象，通道內(nèi)部的渦流區(qū)域在出口部位的面積最大，因此在設(shè)計(jì)過程中，可將肋板設(shè)計(jì)為梯形形態(tài)，增加制動(dòng)盤散熱通道出口部位的寬度，同時(shí)將流道寬度進(jìn)行同一控制，使氣流運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的渦流現(xiàn)象得到更加有效地抑制，保障通道內(nèi)氣流散熱效果。

4.3 最終優(yōu)化成效

經(jīng)過對(duì)制動(dòng)盤內(nèi)部通風(fēng)肋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化過后，其通道中氣流分布情況得到了全面改善與優(yōu)化，通道內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)速度更加均衡，通道內(nèi)渦流現(xiàn)象得到了更加有效的抑制。此外，從宏觀角度來看，經(jīng)過對(duì)肋板結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，使車輛通風(fēng)式制動(dòng)盤內(nèi)部氣流流通速度得到了較為顯著的提升，制動(dòng)盤散熱性能得到了全面強(qiáng)化，為提高不同車速下通風(fēng)式制動(dòng)盤的安全性能奠定了較為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

綜上所述，作為車輛設(shè)計(jì)與運(yùn)行過程中的關(guān)鍵性部件，通風(fēng)式制動(dòng)盤發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。相關(guān)從業(yè)者應(yīng)當(dāng)從實(shí)際出發(fā)，明確通風(fēng)式制動(dòng)盤中對(duì)流換熱相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)與試驗(yàn)要求，并針對(duì)不同因素對(duì)于通風(fēng)式制動(dòng)盤散熱通道內(nèi)部流體力學(xué)的影響情況進(jìn)行全面協(xié)調(diào)，使其能夠進(jìn)一步適應(yīng)對(duì)流換熱前提下制動(dòng)盤的運(yùn)行要求，使其能夠?yàn)檐囕v的設(shè)計(jì)提供更加堅(jiān)定的安全保障。