重载列车车轮表面对流传热特性的数值研究

发布时间：2022-08-01 14:28

　　随着经济的不断发展,我国铁路运输持续走向高速、重载的方向。重载列车进行制动时,一般采用踏面制动,在制动的过程中,车轮会产生较高的温度,当达到一定的受热极限时,就会对车轮造成损伤。制动过程中产生的大量热量,其中大部分均被车轮吸收。因此研究车轮在紧急制动工况下温度和对流换热系数的分布规律具有重要意义。本文主要研究了重载列车在以初速度为120km/h的情况下进行紧急制动时,车轮各表面温度场和对流换热系数的分布规律。主要做了以下工作:首先,建立车轮三维模型,将模型导入到ANSYS Workbench中的Geometry模块,在其中创建流体域,并对固体模型和流体域命名;然后对其网格划分;最后,将划分好的网格导入FLUENT中,设置边界条件,确定求解步长和求解步数,然后开始计算。计算结束之后,得到车轮在制动过程中的速度场、温度场和对流换热系数,其结论如下:（1）在紧急制动中,车轮的最高温度均出现在闸瓦与踏面直接接触的区域,车轮踏面的温度也相对其他区域更高。（2）车轮踏面温度在列车制动14s时达到最大值478.45K,随后开始降低,在整个制动过程中,车轮踏面的平均温度随制动时间呈先增大后减小的趋势。... 

【文章页数】：68 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国内研究现状
        1.2.2 国外研究现状
    1.3 该领域目前存在的问题
    1.4 论文主要研究内容
2 重载列车制动过程分析
    2.1 重载列车踏面制动过程
    2.2 车轮三维物理模型及材料参数
        2.2.1 物理模型
        2.2.2 材料参数
    2.3 制动参数分析
    2.4 车轮制动过程中的传热方式
        2.4.1 制动中的导热理论概述
        2.4.2 列车制动时的对流传热
        2.4.3 制动过程中的热辐射
    2.5 本章小结
3 重载列车车轮计算模型及瞬态温度场数学模型
    3.1 ANSYS简介
    3.2 车轮计算模型
    3.3 瞬态温度场的数学模型
    3.4 热流密度的确定
    3.5 流体力学理论
        3.5.1 CFD求解过程
        3.5.2 流体流动的基本控制方程
        3.5.3 湍流对流换热的雷诺时均方程
        3.5.4 固体热传导方程
        3.5.5 边界条件
    3.6 计算模型的网格划分
        3.6.1 网格生成技术
        3.6.2 边界层网格的划分
        3.6.3 计算区域网格划分
    3.7 本章小结
4 车轮制动过程中速度场和温度场数值求解及结果分析
    4.1 数值求解基本设置
    4.2 湍流求解模型
        4.2.1 湍流求解模型的选择
        4.2.2 湍流近壁区求解
        4.2.3 边界湍流设置
        4.2.4 动区域计算模型
        4.2.5 用户自定义函数(UDF)
    4.3 车轮在制动过程中速度场和温度场的分布
        4.3.1 车轮周围空气速度场分布
        4.3.2 车轮制动过程温度场结果分析
    4.4 本章小结
5 车轮表面对流换热特性数值模拟结果分析
    5.1 网格独立性验证
    5.2 整个车轮表面对流换热系数分布规律
        5.2.1 车轮各表面对流换热系数分布云图
        5.2.2 车轮表面平均对流换热系数随制动时间的变化关系
    5.3 车轮踏面及踏面两侧对流换热系数分布规律
        5.3.1 车轮踏面及踏面两侧对流换热系数分布云图
        5.3.2 车轮踏面及踏面两侧对流换热系数随制动时间的变化关系
    5.4 车轮辐板及轮辋对流换热系数分布规律
        5.4.1 车轮辐板及轮辋对流换热系数分布云图
        5.4.2 车轮辐板及轮辋对流换热系数随制动时间的变化关系
    5.5 车轮轮毂及车轴对流换热系数分布规律
        5.5.1 车轮轮毂及车轴对流换热系数分布云图
        5.5.2 车轮轮毂及车轴对流换热系数随制动时间的变化关系
    5.6 本章小结
结论
致谢
参考文献
附录A 对流换热系数-时间数据表
附录B 对流换热系数-时间数据表
攻读学位期间的研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]紧急制动时闸瓦性能对地铁车轮踏面热应力的影响[J]. 吴涛,李林波,孙智,周辉,唐晓敏.  现代城市轨道交通. 2019(07)
[2]地铁车轮踏面紧急制动热应力分析[J]. 周翠,高卿.  山东农业大学学报(自然科学版). 2019(01)
[3]基于旋转热源法和均布热源法的列车踏面制动温度场分析[J]. 张金煜,虞大联,林鹏.  机械工程学报. 2018(06)
[4]基于间隙热源法的车轮踏面制动摩擦温升研究[J]. 陈帅,吴磊,付青云,温泽峰,王衡禹.  润滑与密封. 2017(05)
[5]流场分析在地铁车辆踏面制动温度场仿真中的应用[J]. 张金煜,虞大联,林鹏,邓小军.  铁道机车车辆. 2017(02)
[6]不同地铁车轮结构几何参数下踏面制动热负荷分析[J]. 张琪,王玉光,周小江,温泽峰,金学松.  计算机辅助工程. 2016(02)
[7]地铁车辆制动时车轮闸瓦热-机耦合分析[J]. 尹志凯,张军,王春艳.  大连交通大学学报. 2015(04)
[8]基于热—机耦合的大轴重车轮踏面制动热负荷仿真分析[J]. 李兰,常崇义.  铁道机车车辆. 2014(02)
[9]机车车轮对流传热系数计算[J]. 朱琳,王励,石伟.  计算机辅助工程. 2014(01)
[10]用试验再现踏面热裂纹及其萌生条件[J]. 半田 和行,彭惠民.  国外铁道车辆. 2013(05)

硕士论文
[1]铁路货车车辆制动系统运用及故障分析研究[D]. 白天宇.中国铁道科学研究院 2018
[2]地铁车辆踏面制动下车轮热负荷仿真分析[D]. 赵凯凯.兰州交通大学 2018
[3]车轮踏面制动热负荷仿真分析[D]. 张琪.西南交通大学 2016
[4]货车铸钢车轮踏面制动热损伤行为研究[D]. 宋琳.北京交通大学 2016



本文编号：3667620