Development of Pressure Distribution Model in Ventilation Ducts of the Brake Disc with Forced Cooling

Abstract

В процессе вращения тормозного диска в вентиляционные каналы попадает воздушный поток, который охлаждает нерабочие поверхности тормозного диска. Для увеличения интенсивности теплообмена от нагретых поверхностей нередко используются системы принудительного охлаждения. Основной задачей систем принудительного охлаждения фрикционных узлов является снижение тепловой нагруженности. Теплоотдача от нагретых поверхностей тормозного диска зависит от количества смен охлаждающего воздуха, т. е. от пропускной способности вентиляционного аппарата. Параметрами, которые влияют на пропускную способность вентиляционного аппарата, могут быть как геометрические размеры, так и аэродинамические показатели (входное давление, координаты источника подачи охлаждаемого воздуха и угол его атаки).В статье приводятся теоретические исследования в виде модели распределения давления внутри вентиляционных каналов. Согласно разработанной модели внутри вентиляционных каналов в процессе вращения тормозного диска наблюдается инверсия давления. Это оказывает влияние на наполняемость вентиляционных каналов тормозного диска воздухом, а в дальнейшем – на тепловую нагруженность всего фрикционного узла. Ребро вентиляционных каналов в разрабатываемой модели распределения давления представляется как пластина, помещенная в воздушный поток под некоторым углом атаки. С помощью расчетного метода обосновано заключение о перепаде давления по всей длине ребра перегородки вентиляционного канала. Полученное распределение давления внутри вентиляционного аппарата возможно заменить результирующей силой. В зависимости от направления действия она может быть как вспомогательной силой при торможении, так и силой сопротивления. Направление действия результирующей силы зависит от сектора установки источника принудительной подачи охлаждающего воздуха. Для подтверждения теоретического изыскания о расположении источника подачи охлаждаемого воздуха было проведено компьютерное моделирование в программном модуле ANSYS Fluent. В рамках компьютерного моделирования исследовалось влияние расположения источника потока воздуха на распределение давление внутри вентиляционных каналов тормозного диска. Полученные результаты позволяют говорить о влиянии расположения источника охлаждающего воздуха на распределение давления внутри вентиляционного аппарата тормозного диска. Это подтверждает гипотезу о том, что координаты источника воздуха и угол атаки могут являться параметрами для оптимизации при создании систем принудительного охлаждения. Помимо этого результата компьютерное моделирование в модуле ANSYS Fluent на основании CFD-модели позволило предложить точки приложения результирующих сил относительно длины вентиляционного канала в зависимости от координат расположения источника принудительной подачи воздуха.Теоретические выкладки подтверждаются как расчетным методом с подстановкой исходных данных в модель распределения, так и методом компьютерного моделирования вентилируемого тормозного диска. Результаты исследований могут дать оценку эффективности оптимизации систем принудительного охлаждения с точки зрения установки источника подачи воздуха и распределения давления в радиальных вентиляционных каналах тормозного диска.