CN102760185A - 一种轮胎温度场分析的对流换热系数的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轮胎温度场分析的对流换热系数确定方法，其特征在于，利用CFD方法计算轮胎周围空气的流动及其与轮胎间的传热从而确定轮胎表面对流换热系数。具体包括如下步骤：（1）划分轮胎及空气计算域网格；（2）确定湍流模型及流场计算方法；（3）确定CFD分析边界条件；（4）进行数值计算并根据计算结果确定对流换热系数。本发明给出一种更精确地确定轮胎表面对流换热系数的方法，从而更有利于准确地预测轮胎温度场。

Description

一种轮胎温度场分析的对流换热系数的确定方法
技术领域
本发明涉及一种轮胎温度场分析的对流换热系数确定方法。
背景技术
轮胎在实际使用中，高温及快速升温不仅引起轮胎材料本身强度下降、橡胶材料的老化加速，而且导致橡胶与帘线间粘合强度下降，是引起轮胎疲劳破坏和爆胎的主要因素，因此分析并预测轮胎温度对轮胎研发具有重要的作用。
近年来，随着计算机的迅速发展，使用数值方法分析轮胎温度场得到广泛的发展。轮胎温度场模拟计算时，轮胎对流换热系数的确定是温度场模拟的关键。目前广泛采用的方法大体上有三种：（1）利用相似原理实验拟合对流换热系数的经验公式。如华中科技大学何燕进行轮胎温度场仿真分析时采用热质比拟的原理，对旋转圆盘的对流换热规律进行了研究，并运用相似原理将对流换热实验结果运用于轮胎温度场有限元分析上；（2）根据实验测得轮胎表面温度后反演对流换热系数法。如中国科学技术大学王晓军以及江苏大学董大鹏在使用经验公式获得轮胎对流换热系数的基础上，以实验获得的胎侧温度分布作为参照值来反演不同区域的对流系数数值,然后用于轮胎温度场分析；（3）直接通过实验测出轮胎表面温度及热流密度从而确定对流换热系数。如美国宇航局格林研究中心传感器与电子部门设计出一种小型可变形传感器，可直接安装于轮胎内外表面，测量其表面温度及瞬时热流密度,从而实现了轮胎内外表面对流换热系数的直接测量。这些方法均依赖轮胎温度实验数据，且大多都只针对某一型号轮胎，造成这些方法泛化能力不强。因此，发明一种通用且泛化能力强的轮胎温度场分析的对流换热系数确定方法是非常必要的。
发明内容
本发明提供一种通用且泛化能力强的轮胎温度场分析的对流换热系数确定方法，其特征在于：利用CFD(计算流体力学)方法分析轮胎空气耦合传热从而确定轮胎表面对流换热系数。
一种计算轮胎对流换热系数的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）计算域的确定
建立通用充气状态的轮胎轮辋一体的3D网格，并将其置于长方体空气域中；轮胎模型周围的空气域尺寸不少于轮胎半径尺寸的8倍，对于空气域的网格划分时，轮胎和轮辋表面厚度7mm以上的区域采用六面体边界层网格，其余空气域采用四面体网格；
（2）确定湍流模型及流场计算方法
本发明采用计算流体力学中的有限体积法来分析轮胎周围空气的流动及其与轮胎间的传热，进而计算轮胎表面对流换热系数，轮胎周围空气的流动状态采用标准                                                
Figure 489861DEST_PATH_IMAGE001
湍流模型模拟，并通过壁面函数法计算近轮胎表面区域空气的流动与传热；压力、速度与温度的耦合求解采用SIMPLE算法；
（3）边界条件的设置
     边界条件设置如下：模拟轮胎转鼓试验时，长方体空气域的上壁面、下壁面、左壁面和右壁面施加无滑移的壁面边界条件，温度为环境温度；前壁面和后壁面施加相对压力为0MPa，温度为环境温度的壁面边界条件；轮胎及轮辋表面施加绕轮胎中心轴旋转的壁面边界条件，温度按工况取不同值，温度区间覆盖轮胎实际运行过程中胎面的温度范围；模拟轮胎实际运行时，在入口施加流动进口边界条件，入口温度为环境温度；在出口施加流动出口边界条件，出口表面压力为一个大气压；其余计算域外边界面施加无滑移壁面边界条件，温度为环境温度；轮胎及轮辋表面边界条件设置和模拟轮胎转鼓试验相同；
（4）基于已确定的计算域、湍流模型、CFD分析方法及边界条件，进行CFD计算，确定轮胎的表面温度和表面热流密度；轮胎表面对流换热系数h可以采用公式
Figure 281100DEST_PATH_IMAGE002
来计算获得，其中
Figure 359914DEST_PATH_IMAGE003
为轮胎表面温度， 
Figure 169476DEST_PATH_IMAGE004
为空气环境温度，
Figure 941123DEST_PATH_IMAGE005
为轮胎表面热流密度。
本发明方法具有应用范围广、精度高和泛化能力强优点，能够克服传统方法的缺陷，有效地预测轮胎对流换热系数。
附图说明
   图 1为本发明计算对流换热系数流程图。
图 2为装配、充气后的轮胎2D断面网格及轮辋。
图 3为旋转轮胎处于静止空气中的计算域。
图 4 为静止空气计算域网格。
图 5为不同转速下对流换热系数沿胎侧坐标分布。
图 6为不同转速下对流换热系数沿胎面坐标分布。
图 7为轮胎稳态温度分布云图。
图 8为轮胎内部测点布置图。
图中，1.上壁面  2.下壁面 3.左壁面 4.右壁面 5.前壁面 6.后壁面  7.轮胎及轮辋表面
8 轮辋    9  胎侧   10胎面。
具体实施方式
以12.00R20全钢载重子午线轮胎的温度场计算为例说明具体实施步骤，该型号轮胎所施加标准气压和载荷分别为0.84MPa 和36.75kN。
如图1所示，步骤S1为划分轮胎及空气计算域网格。对轮胎断面进行2D网格划分，然后进行装配、充气有限元分析，得到充气后由轮辋8、胎侧9和胎面10构成的轮胎2D断面网格（如图2），添加轮辋网格并将2D网格绕轮胎中心轴旋转成3D，即完成轮胎及轮辋网格划分；空气网格划分方面，为消除空气域壁面对轮胎与空气相互作用的影响，空气计算域（如图3)大小为x方向：-4R～+4R(R为轮胎半径)，y方向-3B～+3B（B为轮胎断面宽）,z方向-3R～+3R，计算域原点及坐标轴方向如图3所示；轮胎表面空气7mm厚度内采用六面体网格，其他区域采用4面体网格划分，计算域网格数量为952648个单元，建立的空气域计算网格如图4所示。
步骤S2为确定湍流模型及流场计算方法，压力、速度与温度的耦合求解采用SIMPLE算法，湍流模型选用模型,并通过壁面函数法计算轮胎表面区域空气的流动与传热。
    本算例是模拟轮胎转鼓实验条件，即轮胎在转鼓的带动下在静止空气中旋转。步骤S3为边界条件的设置，如图3所示，空气计算域上壁面1、下壁面2、左壁面3、右壁面4上施加无滑移的、温度为25℃的壁面边界条件；空气计算域前壁面5、后壁面6上施加相对压力为0MPa，温度为25℃的壁面边界条件；轮胎及轮辋表面7施加绕轮胎中心轴旋转的壁面边界条件，为确定旋转速度及温度对轮胎对流换热系数的影响，旋转速度按工况取值如表1所示，在工况6的旋转速度下，表面温度分别取30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃。
表1  不同工况下仿真参数
Figure 836584DEST_PATH_IMAGE007
（注：工况6表面温度分别取30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃）
表2  轮胎转速为29.9rad/s时，不同胎面温度下，轮胎表面平均热流密度及对流换热系数
            
Figure 2117DEST_PATH_IMAGE008
    。 
     步骤S4为进行数值计算并根据计算结果确定对流换热系数，对流换热系数采用式
Figure 944665DEST_PATH_IMAGE002
计算。不同转速下胎侧对流换热系数如图5和图6所示，其中胎侧、胎面及轮辋的几何区划分如图2所示，不同表面温度下轮胎表面平均对流换热系数如表2所示。
为说明本发明方法的有效性，进行了相应的轮胎温度场分析和内部温度测试结果对比，温度场分析是采用的气压为0.84MPa，载荷36.75kN，车速55km/h时，对流换热系数采用本发明的方法获得，计算得到的轮胎温度场分布如图7所示。轮胎内部温度测量点试验值与仿真值对比最大误差小于8%（内部温度测量点布置如图8所示），说明采用本专利所阐述方法计算的对流换热系数具有较为理想的精度，能满足实际工程运用的要求。    

Claims (2)

1.一种轮胎温度场分析的对流换热系数的确定方法，包括如下步骤：
A计算域的确定
建立通用充气状态的轮胎轮辋一体化3D网格，并将其置于长方体空气域中;
B确定湍流模型及流场计算方法
本发明采用计算流体力学中的有限体积法来分析轮胎周围空气的流动及其与轮胎间的传热，进而计算轮胎表面对流换热系数，轮胎周围空气的流动状态采用标准                                                湍流模型模拟，并通过壁面函数法计算近轮胎表面区域空气的流动与传热；压力、速度与温度的耦合求解采用SIMPLE算法；
C边界条件的设置
     边界条件设置如下：模拟轮胎转鼓试验时，长方体空气域的上壁面、下壁面、左壁面和右壁面施加无滑移的壁面边界条件，温度为环境温度；前壁面和后壁面施加相对压力为0MPa，温度为环境温度的壁面边界条件；轮胎及轮辋表面施加绕轮胎中心轴旋转的壁面边界条件，温度按工况取不同值，温度区间覆盖轮胎实际运行过程中胎面的温度范围；模拟轮胎实际运行时，在入口施加流动进口边界条件，入口温度为环境温度；在出口施加流动出口边界条件，出口表面压力为一个大气压；其余计算域外边界面施加无滑移壁面边界条件，温度为环境温度；轮胎及轮辋表面边界条件设置和模拟轮胎转鼓试验相同;
D基于已确定的计算域、湍流模型、CFD分析方法及边界条件，进行CFD计算，确定轮胎的表面温度和表面热流密度；轮胎表面对流换热系数h可以采用公式
Figure 964537DEST_PATH_IMAGE002
来计算获得，其中
Figure 266205DEST_PATH_IMAGE003
为轮胎表面温度， 为空气环境温度，
Figure 76216DEST_PATH_IMAGE005
为轮胎表面热流密度。
2. 根据权利要求1所述的一种轮胎温度场分析的对流换热系数的确定方法，其特征在于，所述步骤A中的轮胎轮辋一体化3D网格模型的周围空气域尺寸不少于轮胎半径尺寸的8倍，对于空气域的网格划分时，轮胎和轮辋表面厚度7mm以上的区域采用六面体边界层网格，其余空气域采用四面体网格。
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