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应用热工程
交叉孔在风冷制动器中起到强化冷却的作用
重点：标准和交叉钻孔制动盘之间的彻底比较。
澄清由十字钻孔的内部和外部流动的修改
澄清通过交叉钻孔的局部传热图案修改。
通过交叉钻孔可显著改善制动盘冷却。
通过交叉钻孔改善冷却性能的机制量化。
文章信息
文章历史：
收到 2015年4月7日
接纳 2015年8月1日
在线可用 2015年8月28日
关键词：通风式制动盘、径向叶片、交叉孔、旋转流、强化传热。
了解与通风制动盘相关的热流体行为备受关注 ，并且为制动设计工程师改进制动盘冷却提供建设性指导。在这项研究中，我们对装有径向叶片的标准制动盘和交叉孔制动盘的热流体特性进行了数值模拟。交叉孔的强化传热机理被澄清了，为了验证数值模型，还进行了一系列的实验。轴向压力梯度被发现通过交叉孔驱动冷却空气进入通风通道。因此增强了局部传热。此外，当从交叉钻孔发出的空气射流偏转到叶片的吸入侧 ，通孔流通过孔的表面带走热量，进一步提高局部传热。射流堵塞不仅降低了通过通风道入口的泵送能力，而且造成接下来的每一个射流的动量很低。因此，每个摩擦盘的内表面的局部传热恶化。 最终，相对于标准制动盘相，在200-1000 RPM操作范围内，交叉孔制动盘具有高于22-27%的整体努塞尔数。
1简介
现代乘用车采用普遍盘制动器如图1所示（a）。在制动过程中，通过制动盘和制动衬块之间的滑动摩擦，将车辆的动能和势能转化为热能。为了防止制动液汽化，用于热传导的制动衬块是故意最小化[1]。 因此，大约90%的摩擦热转移到制动盘[2]。据帕尔默[ 3 ]。和裴伟志[4]等人报导，高负荷制动能使制动盘温度高达600℃。许多研究显示，许多研究表明，这种过热可能会导致或加剧制动褪色[5]-[7]，增加摩擦副的磨 损[8]，制动盘锥进与热疲劳裂纹[9]-[11]以及制动系统的热抖动[12]。因此，制动盘的足够的冷却是至关重要的，以确保制动的可靠性和舒适性，特别是对更高性能要求的乘用车。
表一
|
A |
表面积(m2) |
s |
局部坐标(m) |
|
Aref |
参考面面积(m2) |
t |
时间(s) |
|
C1，C2 |
在公式（11）定义的系数 |
tr |
摩擦盘厚度(m) |
|
dh |
圆形交叉孔直径(m) |
tv |
叶片的厚度(m) |
|
h |
在公式（4）中定义的局部换热系数（W /m2K |
T |
壁面温度(℃) |
|
he |
在公式（3）中定义的局部有效传热系数（W /m2k) |
Ta |
环境空气温度(℃) |
|
Hhb1，Hhb2 |
制动毂的轴向尺寸(m) |
V |
相对速度的大小(m/s) |
|
HV |
叶片的高度（m） |
y |
无量纲壁距离 |
|
k |
空气导热系数(W/(mK)) |
z |
轴向坐标（m） |
|
Lv1，Lv2 |
长短叶片的长度 |
||
|
m |
冷却空气质量流量(kg/s) |
ε |
哑光黑漆的发射率 |
|
N |
制动盘转速(RPM) |
eta; |
在公式（13）中定义的单独的贡献机制对整体传热的增强 |
|
Nu |
在公式（5）中定义的局部努塞尔数 |
theta; |
方位坐标(rad) |
|
Nue |
在公式（2）中定义的局部有效努塞尔数 |
theta;0 |
制动盘的几何周期角(rad) |
|
Nuoverall |
在公式（6）中定义的整体努塞尔数 |
mu; |
空气动态粘度(Pa·s) |
|
P |
压强（Pa） |
rho; |
空气密度(kg/m3) |
|
Ph ,pv |
分别表示周边孔的横截面和叶片截面（m） |
sigma; |
伯尔兹曼常数(W/(m2K4)) |
|
q |
局部热通量(W/m2) |
omega; |
制动盘的角速度大小(rad/s) |
|
Q |
传热率(W) |
||
|
Qt |
总输入功率(W) |
hs,HS |
内侧盘孔表面 |
|
r |
径向坐标(m) |
irs,IRS |
内侧盘内缘面 |
|
Re |
在公式（1）中定义的旋转雷诺兹数 |
is,IS |
内侧盘的内表面 |
|
RH1-RH3 |
交叉孔的径向位置（m） |
m |
区域平均值 |
|
Rhb1,Rhb2 |
制动毂的径向尺寸(m) |
ors,ORS |
内侧盘外缘表面 |
|
Rri,Rro |
内部和外部的内侧盘半径(m) |
rs,RS |
摩擦盘表面的内侧 |
|
RV |
叶片径向位置(m) |
RPM |
每分钟转数 |
|
vs, VS |
叶片表面 |
为了有效地消除摩擦热，如图1所示，已经设计了离心风扇式通风制动盘，相对于固体制动盘，通过通风通道的内部强制对流可大幅改善冷却[13]。无论夹在摩擦盘之间的散热元件横截面与配置，商用通风制动盘可分为标准和交叉孔制动盘[14]，分别如图1（b）及（c）所示。
图1乘用车盘式制动系统说明：（a）工作原理；（b）标准径向叶片制动盘；（c）交叉孔径向叶制动盘。
自从20世纪60年代流行的制动[ 15 ]，相当多的理论和实验的努力一直致力于了解热流体特性和提高标准制动盘的冷却性能，如文献[16]所述。然而，相比之下，在公开的文献中洞察高性能交叉孔制动盘的热流体是有限的。着眼于整体性能，沃利斯[ 17 ]对标准和交叉孔式径向叶片通风制动盘进行了测功机测试。结果发现，对于给定的相同的制动压力，交叉孔制动盘 缩短车辆的制动距离，并降低了制动盘的温度。在Antanaitis[18]等人的车辆测试中，其结果显示，与标准制动盘相比，交叉孔制动盘的冷却性能更加优越。关于局部流体流动行为,Barigozzi[19]等人采用激光多普勒测速仪测量了靠近交叉孔制动盘的摩擦表面轴向速度分量分布。他们报告说，冷却空气通过这些孔被吸入通风通道。然而，在文献[19]中没有交叉孔对内外流体流动和局部传热的影响，也没有交叉孔制动盘与标准制动盘的性能比较。还应当指出的是，由于保密的原因，在现有的研究中[17]-[19]，研究的制动盘的详细几何参数还无法得知。鉴于上述情况，热流体机制下的交叉孔通风制动盘冷却性能的优越尚未完全被理解。然而，这样的见解可以为制动设计工程师提供建设性的指导，达到进一步优化交叉孔制动盘高性能目的。
因此，本研究提出了一个全面的介于标准径向叶片制动盘和具有系统控制几何参数的交叉孔径向叶片制动盘的流体流动和传热特性的比较。重点放在以下揭示，（a）冷却空气如何通过交叉钻孔进入通风通道；（b）与标准制动盘相比，这种特殊流动如何改变
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