Die thermische Simulation von Pkw-Bremsanlagen erfordert aufgrund der kurzen Entwicklungszeiten ein möglichst schnelles und effizientes Berechnungsverfahren mit hinreichender Genauigkeit. Im Vortrag wird die systematische Entwicklung einer entkoppelten Berechnungsmethodik zur Vorhersage von Bremsscheiben-Temperaturen mit CFD (Computational Fluid Dynamics) und FEM (Finite Elemente Methode) aufgezeigt. Bei der Berechnung des konvektiven Wärmeübergangs wird der Ansatz der Prandtl-Analogie unter Verwendung unterschiedlicher Nahwand-Modelle verfolgt. Gekoppelte Simulationsansätze erlauben eine Verifikation des entkoppelten Berechnungsansatzes. Zur Validierung der Berechnungsmethodik wird der Testfall einer überströmten, rotierenden und beheizten Scheibe betrachtet. Aus Windkanalversuchen stehen Geschwindigkeits- und Temperaturmessungen zur Verfügung, die mit den Simulationsergebnissen verglichen werden. Bei der Validierung des Berechnungsansatzes ohne Wärmeübergang zeigte sich an Hand der PIV-Messungen, dass das universelle Wandgesetz als Nahwand-Modell die Verwindung des Geschwindigkeitsprofils bei Scheibenrotation von der Tendenz gut wiedergibt. Das Zwei- Schichten-Modell liefert zum Teil noch bessere quantitative Ergebnisse. Weiterhin konnte aufgezeigt werden, dass die verwendeten, auf der Boussinesq-Beziehung beruhenden Turbulenzmodelle die gemessenen Verteilungen der turbulenten kinetischen Energie realistisch vorhersagen. Zur Verifizierung des Kopplungsansatzes wurden die Wärmeübergangskoeffizienten aus einer entkoppelten Berechnung (Prandtl-Analogie) und einer gekoppelten Simulation (conjugate heat transfer) miteinander verglichen. Für den Fall ohne und mit Scheibendrehung konnte eine gute Übereinstimmung der über die Scheibenoberfläche gemittelten Wärmeübergangskoeffizienten nachgewiesen werden. Die gekoppelten Berechnungen erlaubten außerdem eine Bewertung des Einflusses von temperaturabhängigen Stoffwerten. Im betrachteten Temperaturbereich bis 300 Grad C beträgt die Abnahme des konvektiven Wärmeübergangs aufgrund des Temperatureinflusses bis zu fünf Prozent. Bei höheren Scheibentemperaturen verschlechtert sich die konvektive Wärmeabfuhr progressiv. Die Validierung der Wärmeübergangsberechnung zeigte, dass in den Bereichen, in denen Geschwindigkeits- und Temperaturgrenzschicht nicht an der gleichen Position beginnen (z.B. an der Vorderkante der beheizten Scheibe), die Prandtl-Analogie mit universellem Wandgesetz den Wärmeübergang deutlich unterschätzt. Generell sind die berechneten Scheibentemperaturen etwas zu hoch. Zur weiteren Absicherung der Methodik ist es sinnvoll, den Einfluss von Heizwärme-Verteilung, seitlichen Wärmeverlusten und Wandrauhigkeit noch detaillierter zu untersuchen. In einem nächsten Schritt sollte der Einfluss wichtiger Verdrängungskörper, wie Fahrzeugkarosserie und Rad, berücksichtigt werden.

    Considering short development cycles, the thermal simulation of vehicle brake systems requires a simulation approach which provides a fast and efficient simulation approach with sufficient accuracy. In this paper a decoupled simulation approach based on CFD (Computational Fluid Dynamics) und FEM (Finite Elemente Method) to predict the temperatures of braking disks is presented. The heat transfer is calculated using Prandtl's analogy in combination with different near-wall models. Conjugate heat transfer simulation models allow the verification of the analogy approach. The thermal simulation is applied on a simplified test case where a rotating heated disk is cooled by an air-stream perpendicular to the axis of rotation. Velocities and temperatures measured with a representative test rig in a wind tunnel are used to compare with the simulation results.


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    Titel :

    Entwicklung einer auf der Prandtl-Analogie basierenden Berechnungsmethodik zur effizienten thermischen Analyse von PKW-Scheibenbremsen


    Weitere Titelangaben:

    Efficient Numerical Approach based on Prandtl's Analogy for Heat Transfer Simulations of Brake Disks


    Beteiligte:
    Körner, M. (Autor:in) / Dreyer, M. (Autor:in) / Möller, T. (Autor:in) / Radespiel, R. (Autor:in)


    Erscheinungsdatum :

    2006


    Format / Umfang :

    23 Seiten, 15 Bilder, 1 Tabelle, 13 Quellen




    Medientyp :

    Aufsatz (Konferenz)


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch