Исследование сегментарного вентиляционного аппарата тормозного диска с определением взаимосвязи аэродинамических и теплообменных характеристик воздушного потока

Цель – определение взаимосвязи аэродинамических и теплообменных характеристик воздушного потока в сегментарном вентиляционном аппарате тормозного диска с улучшением рассеивания тепла в пограничном слое омывающего воздушного потока. В исследованиях использовались классические уравнения тепломассообмена в пограничном слое воздушного потока омываемого вентиляционного аппарата тормозного диска. Для оценки работы данного аппарата применялся метод подобия. Объектом исследований явился сегментарный вентиляционный аппарат тормозного диска. Для подтверждения теоретических изысканий выполнялось CFDмоделирование объекта исследований. Разработаны математические модели вентиляционных аппаратов тормозных дисков со сплошным каналом и каналом со щелями. В качестве критерия оценки эффективности работы вентиляционного аппарата тормозного диска был предложен параметр турбулизации воздушного потока внутри исследуемого аппарата. Полученные аналитические зависимости показали, что с увеличением скорости воздушного потока в 20 раз значение данного параметра снизилось в 1,24 раза. С увеличением температурного перепада в пограничном слое в 8 раз параметр турбулизации увеличился в 86,2 раза. На основании предложенного критерия оценки эффективности работы был проведен расчет аэродинамических и теплообменных характеристик объекта исследований. По результатам расчета предложена взаимосвязь конструктивных параметров сегментарного вентиляционного аппарата с улучшением рассеивания тепла в пограничном слое омывающего воздушного потока. Проведенное CFD-моделирование подтвердило теоретические исследования аэродинамических характеристик сегментарного вентиляционного аппарата тормозного диска. Данную математическую модель совместно с параметром турбулизации возможно применять при проектировании современных вентилируемых тормозных дисков и для оценки существующих узлов охлаждения фрикционных узлов. Это необходимо для минимизации возникновения ситуации снижения теплообменных процессов.

1. Bhure S. Analysis of ventilated disc brake rotor using CFD to improve its thermal performance // 6th International set Conference Vellore (Tamil Nadu, Vellore, January 2013 – May 2013). Vellore: School of mechanical building and science, VIT University, 2013.

2. Pan Like, Han J., Li Z., Yang Z., Li W. Numerical simulation for train brake disc ventilation // Journal of Beijing Jiaotong University. 2015. Vol. 39. Iss. 1. P. 118–124. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291-2015.01.020.

3. Atkins M. D., Kienhöfer F. W., Kim Tongbeum. Flow behavior in radial vane brake rotors at low rotational speeds // Journal of Fluids Engineering. 2019. Vol. 141. Iss. 8. Р. 081105. https://doi.org/10.1115/1.4042470.

4. Indira R., Bharatish A. Optimization of ventilated brake disc rotor geometry for enhanced structural characteristics // Journal of Measurements in Engineering. 2020. Vol. 8. Iss. 3. P. 98–106. https://doi.org/10.21595/jme.2020.21399.

5. Nejat A., Aslani M., Mirzakhalili E., Najian Asl R. Heat transfer enhancement in ventilated brake disk using double airfoil vanes // Journal of Thermal Science and Engineering Applications. 2011. Vol. 3. Iss. 4. Р. 045001. https://doi.org/10.1115/1.4004931.

6. Рудов П. К. Методика расчета эффективного радиуса трения в дисковом тормозе с накладками трапецеидальной формы // Вестник белорусского государственного университета транспорта: Наука и транспорт. 2006. № 1-2. С. 15–21.

7. Panelli M., Cardone G. Thermal fluid dynamics analysis of vented brake disc rotor with ribs turbulators // Thermal and Environmental Issues in Energy Systems, ASME-UITATI: Proceedings International Conference. Sorrento, 2010. https://doi.org/10.13140/2.1.3525.7122.

8. Nosko O. Partition of friction heat between sliding semispaces due to adhesion-deformational heat generation // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2013. Vol. 64. P. 1189–1195. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.05.056.

9. Nosko O. Analytical study of sliding instability due to velocity- and temperature-dependent friction // Tribology Letters. 2016. Vol. 61. No. 1. https://doi.org/10.1007/s11249-015-0628-9.

10. Mortazavi V., Wang Chuanfeng, Nosonovsky M. Stability of frictional sliding with the coefficient of friction depended on the temperature // Journal of Tribology. 2012. Vol. 134. Iss. 4. Р. 041601. https://doi.org/10.1115/1.4006577.

11. Úradníček J., Musil M., Bachratý M., Havelka F. Destabilization of disc brake mechanical system due to nonproportional damping // Engineering mechanics: Proceedings 26th International Conference (Brno, 24–25 November, 2020). Brno: Brno University of Technology Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics, 2020. P. 496–499. https://doi.org/10.21495/5896-3-496.

12. Du Xuzhi, Yang Zhigang, Li Qiliang, Zhao Lanping. Brake disc cooling characteristics of a passenger car // Journal of Tongji University. 2016. https://doi.org/10.11908/j.issn.0253-374x.2016.05.020.

13. Mamtaz F., Hossain A., Sharmin N. Solution of boundary layer and thermal boundary layer equation // Asian Research Journal of Mathematics. 2018. Vol. 11. Iss. 4. Р. 1–15

14. https://doi.org/10.9734/ARJOM/2018/45267.

15. Vasu B., Prasad V. R., Bég O. А. Thermo-diffusion and diffusion-thermo effects on boundary layer flows // Chemical Engineering Journal. 2011. Vol. 173. P. 598–606.

16. Bhattacharyya K., Layek G. Slip effect on diffusion of chemically reactive species in boundary layer flow over a vertical stretching sheet with suction or blowing // Chemical Engineering Communications. 2011. Vol. 198. Iss. 11. P. 1354–1365. https://doi.org/10.1080/00986445.2011.560515.

17. Pringle J. Instabilities in the bottom boundary layer reduce boundary layer arrest, allowing cross-isobath spread of downwave flows and ventilating the boundary layer // Earth and Space Science Open Archive. 2021. https://doi.org/10.1002/essoar.10506113.1.

18. Kaushik M. Boundary layers // Theoretical and Experimental Aerodynamics. Singapore: Springer, 2019. Р. 251–284. https://doi.org/10.1007/978-981-13-1678-4_11.

19. Поляков П. А. Связь между режимом протекания воздушного потока и теплоотдачей от поверхностей вентиляционного аппарата тормозного диска // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 8. С. 184–190. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2021-8-184-190.

20. Jiang Feng, Xu Weilin, Deng Jun, Wei Wangru. Flow structures of the air-water layer in the free surface region of high-speed open channel flows // Mathematical Problems in Engineering. 2020. Vol. 2020. https://doi.org/10.1155/2020/5903763.

21. Tarafder Md. Sh., Naz N. Analysis of potential flow around two-dimensional body by finite element method // Journal of Mechanical Engineering Research. 2015. Vol. 7. Iss. 2. P. 9–22. https://doi.org/10.5897/JMER2014.0342.