車輛通風(fēng)式制動盤內(nèi)部通道對流換熱的分析

賈曉麗，陳建平，劉璇

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

隨著時代的不斷發(fā)展與進步，汽車工業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，作為保障車輛行駛安全的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)，制動系統(tǒng)的設(shè)計發(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)從實際出發(fā)，明確通風(fēng)式制動盤內(nèi)部對流換熱特性與設(shè)計要求，進而采用數(shù)學(xué)方法針對車輛通風(fēng)式制動盤對流換熱方案進行優(yōu)化設(shè)計，使其散熱性能能夠達到預(yù)期目標(biāo)。

1 通風(fēng)式制動盤對流換熱影響要素

1.1 空氣質(zhì)量流量

空氣質(zhì)量流量，主要指的是單位時間內(nèi)流過的空氣質(zhì)量。受到車輛通風(fēng)式制動盤結(jié)構(gòu)特性、運行特點以及設(shè)計要求等因素的影響，其通道內(nèi)部的空氣質(zhì)量流量往往與制動盤的整體散熱性能相關(guān)聯(lián)，經(jīng)實踐分析能夠得出結(jié)論，當(dāng)制動盤結(jié)構(gòu)內(nèi)部空氣質(zhì)量流量提升時，整個制動盤的散熱效果越好。一些學(xué)者采用了粒子圖像測速儀針對通風(fēng)式制動盤內(nèi)部熱交換狀態(tài)以及散熱情況進行了觀測和分析，最終結(jié)果表明，受到制動盤散熱通道結(jié)構(gòu)的影響，空氣在流經(jīng)通道入口時可能會產(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，因此在針對車輛通風(fēng)式制動盤內(nèi)部散熱通道進行優(yōu)化設(shè)計的同時，應(yīng)充分考慮空氣質(zhì)量流量所帶來的相關(guān)影響。

1.2 對流換熱系數(shù)

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

式中，φ為對流換熱過程當(dāng)中固體表面與流體接觸時所產(chǎn)生的傳熱量，h為對流換熱系數(shù)，a為整個換熱過程當(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)。

作為一個較為明確的對流換熱模型，在針對車輛通風(fēng)式制動盤結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計的過程中，其最終目標(biāo)是為了盡可能提升結(jié)構(gòu)內(nèi)的對流換熱系數(shù)，使車輛制動過程中所產(chǎn)生的熱量能夠在空氣流動的助力下實現(xiàn)有效逸散，進而進一步強化車輛通風(fēng)式制動盤性能。

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)式制動盤中，其有效散熱面積與制動盤對流換熱性能之間呈現(xiàn)正相關(guān)。通常來說，在針對通風(fēng)式制動盤進行生產(chǎn)方案設(shè)計與規(guī)劃的過程中，往往會采用機加工方式將通風(fēng)式制動盤表面進行粗糙化處理，使制動盤在運行過程中能夠與外界空氣相接觸的面積不斷增大，使制動盤表面散熱性能得到進一步的提升。

在針對車輛通風(fēng)式制動盤進行設(shè)計與生產(chǎn)時，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)過一系列實驗分析過后則能夠得出結(jié)論，當(dāng)針對散熱葉片表面積進行擴大設(shè)計時，其結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化將會導(dǎo)致其空氣質(zhì)量流量不斷減少，進而給制動盤散熱性能帶來一定的負面影響。因此，在基于有效散熱面積針對通風(fēng)式制動盤的設(shè)計進行優(yōu)化和迭代的同時，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成全面平衡，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的散熱效果能夠達到更高水平。

2 制動盤通道對流分析方法

在基于熱力學(xué)相關(guān)原理針對車輛通風(fēng)式制動盤的對流換熱情況進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)者針對理想狀態(tài)下實心圓盤模型運行過程當(dāng)中的溫度變化情況進行了近似分析，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，針對固體表面理想化生熱速率的狀態(tài)給出了對流熱損失與溫差之間的相互關(guān)系，認為當(dāng)溫差擴大時，流體與固體表面接觸產(chǎn)生對流換熱時出現(xiàn)的熱損失現(xiàn)象越明顯，與此同時，給出了理想狀態(tài)下車輛通風(fēng)式制動盤對流換熱的數(shù)學(xué)模型。

Sakamoto等學(xué)者從試驗角度針對熱力學(xué)解析法進行了驗證，通過熱對流基本方程針對車輛通風(fēng)式制動盤運行過程中的散熱速率進行了計算，具體公式為：

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

2.2 流體力學(xué)計算法

在針對車輛通風(fēng)式制動盤對流換熱過程中的散熱性能進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)的解析法僅能針對理想狀態(tài)下或標(biāo)準(zhǔn)模式下的車輛通風(fēng)式制動盤散熱性能進行分析和驗證，適用范圍受到限制和影響。因此，近年來，隨著熱力學(xué)研究的不斷推進以及車輛制動研究領(lǐng)域的不斷成熟，流體力學(xué)計算法逐漸成為通風(fēng)式散熱盤性能與效果的另一項重要計算方式。

相關(guān)技術(shù)人員可將三維熱傳導(dǎo)方程引入到通風(fēng)式制動盤散熱性能的研究與計算領(lǐng)域中，并將不同時間節(jié)點下通風(fēng)式制動盤的溫度反應(yīng)情況進行記錄，使相關(guān)技術(shù)團隊能夠準(zhǔn)確獲取到差異化運行條件下車輛通風(fēng)式制動盤的狀態(tài)分布以及溫度分布，并明確通風(fēng)散熱對制動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分析環(huán)境與車輛通風(fēng)式制動盤實際運行環(huán)境之間的契合度，還可以在計算過程中引入動網(wǎng)格技術(shù)對制動盤運行狀態(tài)進行模擬，引進制動盤運行過程中產(chǎn)生的平移、旋轉(zhuǎn)等運動狀態(tài)，從而基于更加全面的角度對空氣流體與固體之間接觸散熱的最終效果進行分析和闡述。

3 試驗測試與結(jié)論

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

3.1 溫度測試

溫度測試過程中，主要涵蓋以下幾種試驗方法。

（1）熱電偶試驗法，試驗團隊可采用K型熱電偶針對制動盤通風(fēng)散熱過程中其表面不同點位的溫度變化情況進行監(jiān)測，并在模擬制動狀態(tài)下對各測量點位的溫度變化情況進行比對和分析。為盡可能提升熱電偶試驗法在通風(fēng)式制動盤散熱性能研究過程中的精度與測量效果，有關(guān)技術(shù)人員以及測量團隊需要針對熱電偶的布設(shè)位置以及測量頻次進行更加全面地規(guī)劃，使制動盤的平均溫度狀態(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，液晶體的顏色也會發(fā)生相應(yīng)的變化，通過對制動盤制動運作過程中其性能狀態(tài)、液晶色彩變化情況、降溫目標(biāo)以及降溫時間等要素進行記錄結(jié)合測試，能夠使技術(shù)團隊以及設(shè)計團隊較為準(zhǔn)確地掌握整個系統(tǒng)內(nèi)部對流換熱過程中產(chǎn)生的換熱系數(shù)，使通風(fēng)式制動盤的換熱設(shè)計得到最佳效果。

（3）紅外熱像儀試驗技術(shù)。近年來，隨著光學(xué)技術(shù)與計算機技術(shù)的全面發(fā)展，紅外熱像儀已成為進行動態(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、讀數(shù)精準(zhǔn)等優(yōu)勢和特點，因此能夠?qū)?fù)雜環(huán)境下物體的溫度變化情況實施針對性監(jiān)控。相關(guān)人員可采用紅外熱像儀技術(shù)針對模擬狀態(tài)下的車輛通風(fēng)式制動盤溫度狀態(tài)變化情況進行及時跟蹤，進而掌握不同設(shè)計方案下制動盤的散熱情況與運行性能，實現(xiàn)其設(shè)計方案的全面優(yōu)化。但由于紅外熱像儀屬于精密儀器，因此在基于該設(shè)備進行試驗分析前，需要做好校準(zhǔn)工作，確保最終試驗讀數(shù)的準(zhǔn)確可靠。

3.2 氣流測試

除了溫度試驗外，在針對車輛通風(fēng)式制動盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計的過程中，相關(guān)技術(shù)團隊還需要從氣流角度對其進行測試和分析，從而明確不同方案下通風(fēng)式制動盤通道當(dāng)中的對流散熱性能。

（1）可采用可視化技術(shù)針對通風(fēng)式制動盤運行過程當(dāng)中通道內(nèi)氣流狀況進行觀察和驗證。由于熱力學(xué)研究對氣流狀態(tài)的觀測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)對氣流狀態(tài)進行辨識，技術(shù)團隊可在氣流內(nèi)部引入顏料顆粒物等，使其能夠呈現(xiàn)出氣流的流動狀態(tài)，為通道對流換熱設(shè)計方案的優(yōu)化提供支持。

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

（3）可采用激光多普勒測速技術(shù)開展試驗。受到激光光學(xué)特性的影響，導(dǎo)致其與運動過程中的微粒子可能會產(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)確地掌握流體運動過程中的速率，進而為系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)計方案提供參考與引導(dǎo)。

（4）可采用熱線風(fēng)速儀進行氣流運動特性的量測。受到車輛通風(fēng)式制動盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及運行狀態(tài)等因素的影響，導(dǎo)致氣流在其內(nèi)部進行活動的過程當(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)團隊可將風(fēng)速儀置于通風(fēng)式制動盤出口部位，使模擬制動過程中制動盤出口部位的風(fēng)速與溫度參數(shù)都能夠較為直觀地展現(xiàn)在試驗設(shè)備中，從而得到不同方案下氣流通過制動盤通道的基本信息，提升結(jié)構(gòu)設(shè)計水平與設(shè)計成效。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 制動盤通道換熱優(yōu)化設(shè)計

在以往車輛通風(fēng)式制動盤的設(shè)計與運行過程中，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，影響了制動盤的安全性能，因此，有關(guān)技術(shù)人員以及設(shè)計團隊?wèi)?yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照解析法以及流體力學(xué)試驗法針對通道換熱情況進行明確優(yōu)化，使車輛制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，制動性能不斷提升。

4.1 通道內(nèi)流場分析

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

4.2 通風(fēng)肋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在以往的通風(fēng)式制動盤結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，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)計過程中，可將肋板設(shè)計為梯形形態(tài)，增加制動盤散熱通道出口部位的寬度，同時將流道寬度進行同一控制，使氣流運動過程中產(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)過對制動盤內(nèi)部通風(fēng)肋板結(jié)構(gòu)進行優(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)部氣流運動速度更加均衡，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)過對肋板結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化，使車輛通風(fēng)式制動盤內(nèi)部氣流流通速度得到了較為顯著的提升，制動盤散熱性能得到了全面強化，為提高不同車速下通風(fēng)式制動盤的安全性能奠定了較為堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

綜上所述，作為車輛設(shè)計與運行過程中的關(guān)鍵性部件，通風(fēng)式制動盤發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。相關(guān)從業(yè)者應(yīng)當(dāng)從實際出發(fā)，明確通風(fēng)式制動盤中對流換熱相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測與試驗要求，并針對不同因素對于通風(fēng)式制動盤散熱通道內(nèi)部流體力學(xué)的影響情況進行全面協(xié)調(diào)，使其能夠進一步適應(yīng)對流換熱前提下制動盤的運行要求，使其能夠為車輛的設(shè)計提供更加堅定的安全保障。