機(jī)車車輪對流傳熱系數(shù)計(jì)算

朱琳　王勵(lì)　石偉

摘要：對流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算對研究機(jī)車車輪溫度場和應(yīng)力場及其疲勞壽命預(yù)測有重要意義.針對HXD2機(jī)車車輪踏面制動(dòng)過程，建立車輪及其繞流流場計(jì)算模型，應(yīng)用CFD方法通過仿真得到機(jī)車車輪在不同運(yùn)行速度下的對流傳熱系數(shù).結(jié)果表明：由于車輪自身旋轉(zhuǎn)，車輪表面不同位置處的對流傳熱系數(shù)不同；車輪上半迎風(fēng)面的對流傳熱系數(shù)較大，下半迎風(fēng)面較小，且都大于背風(fēng)面數(shù)值.計(jì)算結(jié)果為研究機(jī)車車輪對流傳熱、蠕滑和制動(dòng)等傳熱過程提供參考.

關(guān)鍵詞：機(jī)車； 車輪； 對流傳熱系數(shù)； 蠕滑； 制動(dòng)； CFD

中圖分類號： TH117.1； U260.3311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

鐵路運(yùn)輸作為最重要的運(yùn)輸手段之一，在國民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中發(fā)揮重要作用.隨著重載和高速技術(shù)的發(fā)展，機(jī)車制動(dòng)能量需求越來越大.[1]踏面制動(dòng)和盤式制動(dòng)的安全性和可靠性成為研究領(lǐng)域的熱點(diǎn).

當(dāng)機(jī)車踏面制動(dòng)時(shí)，在制動(dòng)缸空氣壓力作用下，制動(dòng)閘瓦與車輪踏面發(fā)生劇烈接觸摩擦，巨大的機(jī)車運(yùn)行動(dòng)能在較短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化成熱能傳入車輪，車輪快速升溫.[2]由于機(jī)車車輪承受大軸重載荷和大運(yùn)

行牽引力作用，摩擦升溫后溫度載荷帶來的熱應(yīng)力與循環(huán)加載的機(jī)械載荷造成的機(jī)械應(yīng)力疊加，所以車輪內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)異常復(fù)雜.此外，車輪鋼材料的屈服極限和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù)隨溫度變化較大.[34]因此，準(zhǔn)確獲得制動(dòng)時(shí)車輪的實(shí)時(shí)溫度對分析車輪應(yīng)力分布狀態(tài)、計(jì)算殘余應(yīng)力分布和預(yù)測車輪疲勞壽命等具有重要意義.[57]

當(dāng)機(jī)車車輪制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)摩擦產(chǎn)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(shù)的確定成為研究溫度場分布的重要工作.現(xiàn)有研究多數(shù)利用圓柱繞流的傳熱學(xué)解析公式求得規(guī)則圓盤結(jié)構(gòu)的對流傳熱系數(shù)，作為不規(guī)則車輪結(jié)構(gòu)對流傳熱系數(shù)的近似解.[810]因車輪外形近似處理且忽略車輪轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)導(dǎo)致繞流流場變化，所以在某些運(yùn)行工況下解析方法得到的對流傳熱系數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大誤差.本文分別建立重載機(jī)車HXD2的J2鋼車輪及周圍空氣流場的計(jì)算模型，基于CFD方法通過數(shù)值仿真分析車輪的對流傳熱系數(shù).

1有限元模型的建立

以HXD2重載機(jī)車車輪為研究對象，研究列車運(yùn)行速度小于120 km/h時(shí)機(jī)車車輪的對流傳熱系數(shù).將行駛過程中的機(jī)車狀態(tài)進(jìn)行簡化，只考慮單個(gè)車輪的溫度變化，忽略機(jī)車車體包括一系懸掛、基礎(chǔ)制動(dòng)和電機(jī)懸掛等對車輪表面換熱的影響；同時(shí)，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(jī)車車輪實(shí)際尺寸建立三維結(jié)構(gòu)模型.考慮機(jī)車直線行駛時(shí)車輪對有限體積內(nèi)氣流的擾動(dòng)影響，忽略車體懸掛及制動(dòng)裝置對車輪表面換熱的影響，將繞流空氣簡化為一個(gè)大的長方體流體域.盡量滿足車輪周圍真實(shí)物理狀態(tài)，建立流場計(jì)算模型，流體域控制體上下控制面的位置依據(jù)機(jī)車底部和地面這2個(gè)物面的位置選取，前后控制面的位置依據(jù)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(jù)懸掛及制動(dòng)裝置位置選取.同時(shí)，6個(gè)控制面的位置遵從外界擾動(dòng)對控制體內(nèi)流場流動(dòng)影響不大的原則，以便使車輪流場的擾動(dòng)對遠(yuǎn)場邊界的影響很小.參與換熱的空氣包圍整個(gè)機(jī)車車輪，簡化模型見圖1.

應(yīng)用CFD軟件FLUENT建立車輪結(jié)構(gòu)與繞流空氣的計(jì)算模型.采用四面體網(wǎng)格單元?jiǎng)澐终麄€(gè)計(jì)算域.為保證換熱計(jì)算的準(zhǔn)確性，對靠近車輪表面區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格劃分情況見圖2，計(jì)算模型總單元數(shù)為3 761 156個(gè).

2流體動(dòng)力學(xué)計(jì)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(jù)相對運(yùn)動(dòng)原理將機(jī)車速度換算為空氣來流速度，機(jī)車行駛速度等效為旋轉(zhuǎn)角速度.根據(jù)HXD2機(jī)車正常行駛速度范圍給定幾個(gè)離散速度值作為速度入口邊界條件分別進(jìn)行計(jì)算.入口湍流邊界條件依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到，其中，湍流強(qiáng)度為2.41%，水力直徑取1.412 m.設(shè)流體域其他4個(gè)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(jī)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(shù)、可壓縮性和剪切流傳播等特點(diǎn)，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(jì)算中具有較高的計(jì)算精度.速度與壓力的耦合運(yùn)用SIMPLE半隱式迭代算法，壓力采用PRESTO離散格式.為獲得更準(zhǔn)確的數(shù)值解，并保持最終解的穩(wěn)定性，控制方程的擴(kuò)散與對流相的離散格式采用2階迎風(fēng)格式.

為計(jì)算車輪與空氣之間的傳熱，給定結(jié)構(gòu)與流體之間的溫度差.由于車輪與空氣之間的傳熱系數(shù)主要由緊靠車輪處的空氣流動(dòng)狀態(tài)決定，因此車輪表面設(shè)為恒溫邊界，對計(jì)算結(jié)果影響很小，通過流體熱流計(jì)算車輪與繞流空氣的對流傳熱系數(shù).在計(jì)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(jì)算結(jié)果與討論

通過流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到流場內(nèi)的流線分布，見圖4，可知，車輪對前進(jìn)方向的來流擾動(dòng)范圍較小.車輪外表面為復(fù)雜的曲面，在空氣掠過車輪時(shí)流動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜.同時(shí)，車輪本身的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致來流氣體流過車輪的迎風(fēng)面后向下流動(dòng)，所以上、下兩部分流體域的流線不對稱，此流動(dòng)特征對上、下兩部分車輪的對流傳熱系數(shù)產(chǎn)生不同影響.

機(jī)車行駛速度為120 km/h時(shí)的車輪外表面對流傳熱系數(shù)分布見圖5，可知，在繞流及車輪自身旋轉(zhuǎn)的影響下，迎風(fēng)踏面的下半部分對流傳熱系數(shù)較小，上半部分對流傳熱系數(shù)較大；背風(fēng)面對流傳熱系數(shù)較迎風(fēng)面小；在同一迎風(fēng)或背風(fēng)區(qū)域，因車輪與繞流空氣的相對速度不同，對流傳熱系數(shù)不同.

4結(jié)論

采用CFD方法借助計(jì)算機(jī)高效建模和計(jì)算處理能力，為準(zhǔn)確求解在不同速度下不規(guī)則機(jī)車車輪表面的對流傳熱系數(shù)提供參考.

（1）對流傳熱系數(shù)的產(chǎn)生及其數(shù)值大小直接受機(jī)車行駛速度的影響，且與機(jī)車運(yùn)行速度基本滿足線性關(guān)系：機(jī)車運(yùn)行速度越大，車輪整體的對流傳熱系數(shù)越大.

（2）由于機(jī)車車輪的運(yùn)動(dòng)形式特殊，車輪不同位置處的對流傳熱系數(shù)不同.在機(jī)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(shù)時(shí)，因CFD方法已經(jīng)計(jì)算出所有車輪表面網(wǎng)格點(diǎn)處的對流傳熱系數(shù)值，通過積分可以快速準(zhǔn)確地計(jì)算所需車輪各表面、各部位的整體對流傳熱系數(shù)，計(jì)算方法簡便、可靠.

（3）準(zhǔn)確計(jì)算對流傳熱系數(shù)，對分析車輪蠕滑、制動(dòng)、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(chǎn)生的應(yīng)力場分布、溫度載荷與機(jī)械載荷產(chǎn)生的力熱耦合應(yīng)力場分布、多載荷工況下的車輪殘余應(yīng)力場分布、車輪裂紋萌生和擴(kuò)展以及車輪循環(huán)加載下的疲勞與壽命等的分析和預(yù)測，對鐵路高速重載運(yùn)行有重要意義.

參考文獻(xiàn)：

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（編輯武曉英）

（2）由于機(jī)車車輪的運(yùn)動(dòng)形式特殊，車輪不同位置處的對流傳熱系數(shù)不同.在機(jī)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(shù)時(shí)，因CFD方法已經(jīng)計(jì)算出所有車輪表面網(wǎng)格點(diǎn)處的對流傳熱系數(shù)值，通過積分可以快速準(zhǔn)確地計(jì)算所需車輪各表面、各部位的整體對流傳熱系數(shù)，計(jì)算方法簡便、可靠.

（3）準(zhǔn)確計(jì)算對流傳熱系數(shù)，對分析車輪蠕滑、制動(dòng)、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(chǎn)生的應(yīng)力場分布、溫度載荷與機(jī)械載荷產(chǎn)生的力熱耦合應(yīng)力場分布、多載荷工況下的車輪殘余應(yīng)力場分布、車輪裂紋萌生和擴(kuò)展以及車輪循環(huán)加載下的疲勞與壽命等的分析和預(yù)測，對鐵路高速重載運(yùn)行有重要意義.

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（編輯武曉英）

（2）由于機(jī)車車輪的運(yùn)動(dòng)形式特殊，車輪不同位置處的對流傳熱系數(shù)不同.在機(jī)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(shù)時(shí)，因CFD方法已經(jīng)計(jì)算出所有車輪表面網(wǎng)格點(diǎn)處的對流傳熱系數(shù)值，通過積分可以快速準(zhǔn)確地計(jì)算所需車輪各表面、各部位的整體對流傳熱系數(shù)，計(jì)算方法簡便、可靠.

（3）準(zhǔn)確計(jì)算對流傳熱系數(shù)，對分析車輪蠕滑、制動(dòng)、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(chǎn)生的應(yīng)力場分布、溫度載荷與機(jī)械載荷產(chǎn)生的力熱耦合應(yīng)力場分布、多載荷工況下的車輪殘余應(yīng)力場分布、車輪裂紋萌生和擴(kuò)展以及車輪循環(huán)加載下的疲勞與壽命等的分析和預(yù)測，對鐵路高速重載運(yùn)行有重要意義.

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（編輯武曉英）