In dieser Arbeit wird eine effiziente Methodik zur thermischen Simulation von umströmten PKW-Scheibenbremsen vorgestellt. Die Methodik beruht auf einer getrennten, sequentiellen Lösung des Strömungs- und Temperaturproblems für das Fluid sowie des Temperaturproblems für den Festkörper. Zur Strömungsberechnung kam ein auf den Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen basiertes Finite-Volumen-Verfahren zur Anwendung. Die Wärmeübertragung in der Bremsscheibe wurde mit einem Finite-Elemente-Verfahren berechnet. Zur Kopplung beider Verfahren wurde ein Ansatz entwickelt, der auf einer indirekten Anwendung von Analogien zwischen Impuls- und Wärmeübertragung sowie der Lösung der Energiegleichung für die Strömung beruht. Zur Validierung der Berechnungsmethodik wurden zwei Testfälle untersucht. Der Testfall der überströmten, rotierenden und beheizten Scheibe zeigte, dass der gewählte entkoppelte Ansatz zur thermischen Berechnung hinreichend gute Übereinstimmungen mit den im Windkanal gemessenen Geschwindigkeits- und Temperaturverteilungen liefert. Der zusätzliche Abgleich mit Ergebnissen aus gekoppelten Wärmeübergangsberechnungen erlaubte die Abschätzung des Fehlers, der in der Simulation bei der Annahme konstanter Stoffwerte gemacht wird. Zur weiteren Absicherung des numerischen Verfahrens wurde der Testfall der umströmten und rotierenden Bremsscheibe in einem verkleinerten, realitätsnahen Fahrzeughalbmodell mit offenem Luftführungskanal untersucht. Der Abgleich mit Windkanalmessungen belegte, dass Berechnungen mit einem transienten Simulationsansatz notwendig sind, um die beobachteten instationären Strömungseffekte richtig wiedergeben zu können. Durch Verwendung der für den ersten Testfall ausgewählten Nahwand- und Turbulenzmodelle sowie einer geeigneten Modellierung der Raddrehung konnten gute Übereinstimmungen mit den Messergebnissen erzielt werden. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Umströmung und der Wärmeübergang an der Bremsscheibe maßgeblich durch das Ablöseverhalten der Strömung am Reifen beeinflusst werden.

    In this paper, an efficient numerical approach for the thermal simulation of brake discs in cars is presented. The simulation approach is based on sequentially solving the decoupled equations which describe the airflow pattern and the temperature field in the fluid and the temperature distribution in the solid. The fluid flow was simulated using a Finite Volume method, whereby a calculation procedure based on Reynolds averaged Navier-Stokes equations was used. A Finite Element method was applied for calculating the heat conduction inside the brake disco The coupling of both procedures was carried out by using an analogy between momentum and heat transfer in combination with solving the energy equation for the fluid. To validate this, two test cases were examined. The first test case of a rotating heated disc cooled by an air-stream perpendicular to the axis of rotation was used to validate the decoupled thermal simulation approach. There was a resonable good agreement between the calculated velocity and temperature distributions and the measurement results obtained from wind tunnel experiments. The additional comparison with results of couph~d heat transfer simulations allowed to estimate the simulation error which was made by assuming constant fluid properties. The second test case focused on a rotating brake disc in a simplified, scaleddown car model with an open air duct for targeted brake air cooling. The validation with wind tunnel measurements showed the emphasis for the need of a transient simulation approach in order to predict all important fluid flow effects. Using appropriate methods for modelling near wall effects, turbulence and wheel rotation, a good agreement with measurement results was observed. The simulation results back up the thesis that flow separation at the wheel strongly influences the airflow pattern and the heat transfer of the brake disc.


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    Title :

    Numerische Simulation der Umströmung und des Wärmeübergangs an PKW-Scheibenbremsen


    Contributors:

    Published in:

    Publication date :

    2009


    Size :

    133 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen




    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    German