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基于熱衰退工況的制動(dòng)冷卻仿真技術(shù)2

2021-02-26 17:35:10·  來(lái)源：中汽中心空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室  作者：CATARC-AERO  
　
本次將具體介紹團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的熱衰退工況下的制動(dòng)冷卻仿真新技術(shù)。該技術(shù)運(yùn)用Starccm+的co-simulation功能，通過(guò)合理建立流體與固體兩個(gè)計(jì)算域以及計(jì)算域間流場(chǎng)與溫
本次將具體介紹團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的熱衰退工況下的制動(dòng)冷卻仿真新技術(shù)。該技術(shù)運(yùn)用Starccm+的co-simulation功能，通過(guò)合理建立流體與固體兩個(gè)計(jì)算域以及計(jì)算域間流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的數(shù)據(jù)映射策略，耦合各計(jì)算域中質(zhì)量、動(dòng)量以及能量傳遞的相關(guān)計(jì)算。其中，流體計(jì)算域的結(jié)構(gòu)如圖1所示，計(jì)算域中包含有待測(cè)車(chē)輛的半車(chē)CFD模型。該模型包括所有影響該車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)性能的部分并最大程度的保留了制動(dòng)器各部件及輪胎，輪輞處幾何細(xì)節(jié)。同時(shí)，為考慮車(chē)輪與剎車(chē)盤(pán)附近氣流的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，將剎車(chē)盤(pán)的通風(fēng)道與輪輞輻條單獨(dú)劃分子區(qū)域并運(yùn)用多重參考坐標(biāo)（MRF）法設(shè)置區(qū)域轉(zhuǎn)速。
 
圖1. 流體計(jì)算域結(jié)構(gòu)
與流體計(jì)算域不同，固體計(jì)算域僅包含剎車(chē)盤(pán)、剎車(chē)片、制動(dòng)鉗、防塵擋板、輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)等待測(cè)車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)中涉及摩擦熱量產(chǎn)生及傳遞的重要零部件，如圖2所示。其中，各部件之間按實(shí)際裝配狀態(tài)設(shè)置接觸，并為剎車(chē)盤(pán)、輪轂等發(fā)生實(shí)際旋轉(zhuǎn)的部件設(shè)置剛體轉(zhuǎn)速。
圖2. 固體計(jì)算域結(jié)構(gòu)
 
接著，構(gòu)建熱衰退工況各循環(huán)中車(chē)輛的行駛速度及剎車(chē)盤(pán)等旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速的變化模型。如圖3所示，將各循環(huán)分解成“減速-停止-加速-恒速”四個(gè)連續(xù)時(shí)段且假定減速與加速時(shí)段中測(cè)試車(chē)輛的減速度與加速度維持恒定，用式（1）描述各循環(huán)中剎車(chē)盤(pán)角速度w（i）隨測(cè)試時(shí)間的變化：
其中，
 
R：車(chē)輪半徑。
圖3. 熱衰退工況速度變化周期
 
根據(jù)式（4）計(jì)算剎車(chē)盤(pán)與剎車(chē)片表面熱通量，為固體域中剎車(chē)片與剎車(chē)盤(pán)摩擦面需設(shè)置熱通量邊界條件，
最后，采用數(shù)據(jù)映射法進(jìn)行流固雙計(jì)算域耦合計(jì)算。如圖4所示，該方法通過(guò)合適的流、固計(jì)算域數(shù)據(jù)映射策略實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流體計(jì)算與瞬態(tài)固體計(jì)算的耦合。以流體計(jì)算域的穩(wěn)態(tài)計(jì)算作為起始計(jì)算，當(dāng)計(jì)算結(jié)果達(dá)到收斂條件后，將制動(dòng)零部件表面對(duì)流換熱系數(shù)（HTC）及附近流體溫度的結(jié)果映射到固體計(jì)算域中作為其在某時(shí)刻的初始邊界條件。隨后，發(fā)起固體計(jì)算域的瞬態(tài)計(jì)算，并在經(jīng)過(guò)一定計(jì)算時(shí)間后，將制動(dòng)零部件表面溫度結(jié)果數(shù)據(jù)映射回流體計(jì)算域中，由流體計(jì)算域進(jìn)行下一次穩(wěn)態(tài)計(jì)算。該過(guò)程持續(xù)進(jìn)行直至固體計(jì)算域計(jì)算至測(cè)試結(jié)束時(shí)間點(diǎn)為止。耦合仿真過(guò)程中規(guī)定，
 
 
圖4：雙計(jì)算域耦合計(jì)算流程
 
為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了實(shí)際道路測(cè)試，測(cè)試車(chē)輛及該車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)各零部件的幾何特征均與仿真計(jì)算域中的描述相一致。圖5展示了測(cè)試過(guò)程中的車(chē)輛行駛速度變化曲線(xiàn)，其中可獲得表1所示的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，可用于確定各循環(huán)內(nèi)減速與加速時(shí)段的速度變化率。
圖5. 車(chē)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖
 
表1. 時(shí)間節(jié)點(diǎn)
 
 在進(jìn)行完整測(cè)試過(guò)程的仿真之前，團(tuán)隊(duì)先對(duì)模型中的可調(diào)節(jié)參數(shù)nd（i）與na（i）進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析。這兩個(gè)參數(shù)分別描述了仿真過(guò)程中各減速段與加速段的場(chǎng)數(shù)據(jù)交換頻率，由于此次試驗(yàn)中各熱衰退循環(huán)過(guò)程十分接近，故敏感性分析可只針對(duì)第一循環(huán)展開(kāi)。進(jìn)行敏感性分析的目的在于找到這兩個(gè)參數(shù)的最優(yōu)設(shè)定。很明顯，nd（i）與na（i）的值越小，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性越高，但計(jì)算用時(shí)也會(huì)顯著增加?？紤]到仿真精度與計(jì)算資源消耗的平衡，并結(jié)合分析結(jié)果，兩個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值為nd（i）=2與 na（i）=40?？梢钥闯?，nd（i）與 na（i）nd（i）的最優(yōu)值具有較大差異，這是由于制動(dòng)熱量只在各減速段產(chǎn)生，且各加速段用時(shí)普遍大幅長(zhǎng)于各減速段，故仿真過(guò)程中各加速段的場(chǎng)間數(shù)據(jù)交換頻率可大幅低于各減速段。從圖6可以看出，即便仿真過(guò)程中并無(wú)任何關(guān)于摩擦應(yīng)力的實(shí)質(zhì)計(jì)算，仿真結(jié)果依舊能還原出真實(shí)制動(dòng)過(guò)程中剎車(chē)盤(pán)摩擦面上熱量的生成及傳遞方式以及摩擦面上溫度的非均勻分布特性，在兼顧計(jì)算效率的同時(shí)確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度，這是傳統(tǒng)仿真方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)。
 
圖6. 剎車(chē)盤(pán)表面溫度仿真結(jié)果
 
隨后，我們將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。圖7展示出了熱電偶埋入位置上仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。可以看到，該位置上溫度隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果在大體趨勢(shì)上與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果相吻合，但在各循環(huán)制動(dòng)冷卻階段的早期（即te（i）d（i+1）），該處仿真溫度的下降速率明顯高于測(cè)量結(jié)果。造成此偏差的原因主要是熱電偶的響應(yīng)延遲（即熱惰）效應(yīng)，而隨著制動(dòng)冷卻過(guò)程的進(jìn)行，該效應(yīng)的影響也逐漸降低，當(dāng)長(zhǎng)達(dá)幾十秒的冷卻過(guò)程結(jié)束時(shí)（即t=td（i+1）），該效應(yīng)對(duì)溫度監(jiān)測(cè)的影響可基本忽略，此時(shí)刻仿真與試驗(yàn)結(jié)果的偏差均小于10ºC。由此可見(jiàn)該仿真方法對(duì)于熱衰退工況下剎車(chē)盤(pán)的制動(dòng)冷卻能力（即溫度變化）具有極強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力。
圖7. 熱電偶處仿真溫度變化與路試監(jiān)測(cè)值對(duì)比
 
至此，基于熱衰退工況的制動(dòng)冷卻仿真新技術(shù)的提出及驗(yàn)證過(guò)程已基本介紹完畢，更為詳盡的內(nèi)容可參考團(tuán)隊(duì)發(fā)表的SAE文章[1]。相比于傳統(tǒng)仿真方法，該方法在計(jì)算效率的提升上效果明顯。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將集中在如何運(yùn)用該方法對(duì)具體車(chē)型剎車(chē)盤(pán)的制動(dòng)冷卻性能進(jìn)行優(yōu)化，并研究各優(yōu)化方案對(duì)于該車(chē)其他空氣動(dòng)力學(xué)特性（如風(fēng)阻，風(fēng)噪等）的影響。在今后的推送中，我們將對(duì)研究進(jìn)展及成果進(jìn)行更為詳細(xì)的介紹，敬請(qǐng)期待。
參考文獻(xiàn)
[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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