引言

伴随着高速铁路网络的迅速发展，保证旅客安全到达目的地已经成为了主要的要求。截至2025年底，我国高铁运营里程超5万公里，超过其他国家总和。“十四五”末将新增约1.2万公里。目前动车组保有量5233组，复兴号系列占2248.75组，较“十三五”末分别增长约34%和117%。高铁承担80%以上铁路客运量，日均开行9346列、发送旅客936万人次，累计发送128亿人次以上。制动盘参数影响行车安全、舒适度，也是高铁技术水平的重要指标。

高铁制动盘工作环境恶劣。CR450动车组从时速400公里制动到静止仅需6500米，制动盘最高温度达700℃时仍需保证性能，对材料、工艺和可靠性要求极高。一旦发生热疲劳、裂纹或材料失效，后果不堪设想。

历史教训凸显制动安全的重要性。2009年郴州事故因防尘堵底盖遗留制动软管，导致制动力消失，造成3死63伤。这表明制动系统的微小问题都可能引发重大事故。

制动时高温会导致热斑、变形甚至断裂。相比实心盘，轮装制动盘依靠散热筋表面和内部盘面散热，散热性能和抗热衰退能力更优。

改善制动盘散热对高铁运营安全具有战略意义。制动时动能转化为热能，若冷却不佳，会造成材料退化、结构变形、部件失效。提升换热能力可防止过热，避免热衰退现象。紧急制动时，良好换热能快速散热、减小热应力，降低热裂纹风险。同时可保证制动系统稳定运行，减少因故障导致的停运事故，保障乘客安全。

1 国内外研究现状

1.1 国内研究现状

李杰等从结构角度分析了通风式制动盘冷却性能的影响机理，基于质量流速、表面传热系数、涡流效应、有效散热面积等参数评价换热特性，为分析复杂热传导提供了理论与数据支撑。王欣等通过数值模拟，研究了板状与圆柱形散热肋结构在高湍流速度场下对制动盘对流传热性能的影响。结果表明，板状散热肋的导热系数更高，冷却效果优于圆柱形，证明散热肋形态对热管理性能起决定性作用。潘利科等通过数值模拟，研究了不同散热肋结构与排布形式对散热性能的影响。结果表明：径向对流传热系数递减；迎风面换热强度高于背风面且非均匀性更强；在长肋单元上增加短肋可增强局部流体扰动，显著提升整体散热效果。

1.2 国外研究现状

A Banerjee等研究了非牛顿流体在含双弯头管道中的湍流特性，发现双弯头扰动诱发第一类普朗特二次流，且二次流强度随幂律指数降低而增强；弯头下游需一定距离才能恢复充分发展状态，平均流速沿流向增大，压力损失增加。M J Rincón等针对湍流模型预测二次流能力不足的问题，基于Kriging代理模型优化显式代数雷诺应力校正模型，显著提升了对二次流的重构能力，为数据驱动流动模拟提供了有效技术路径。Néjat等人数值模拟下坡制动时制动盘热管理特性，提出在主翼型肋片基础上增加次翼型肋片的新设计。结果表明，新结构冷却效果显著提升，在不同转速下换热效率比传统结构高17%-29%，为通风制动盘肋片设计提供了理论依据和技术指导。

2 制动盘气流组织的关键影响因素

2.1 控制方程

论文主要研究制动盘在滚动运动时，选取移动参考系来分析制动盘内部通道的流体动力学特性。参考系是线速度v_t的平移分量加上角速度ω的旋转分量，用以分析流体运动特性的一组数学工具。在此基础上对流体动力学控制方程进行推导并展开系统性的解析如下所示：

2.1.1 连续性方程：

式子中p是流体密度参数，t是时间变量，vr是相对速度矢量。

2.1.2 动量守恒方程：

此方程有诸多重要参数，即流体密度ρ、时间t、相对速度向量v_r、角速度向量ω、位置矢量r、线速度向量v_t、压力p以及粘性应力张量τ_r，还有外界体积力F。这些物理量都有它们自身的科学含义，对流体力学研究起着重要的作用。

2.1.3 能量守恒方程：

在上述公式中，符号p表征流体的密度参数，Er体现相对内能特性，Hr反映相对总焓值，v_r表示相对速度矢量；k是热传导系数，T即温度变量，Sh则定义为流体内热源的空间分布函数。

2.2 数值模拟

2.2.1 物理模型

论文选择一个典型的列车制动盘作为实验对象，其具体的结构如图1所示。在几何建模阶段忽略了孔洞、螺栓等次要的结构元素，只研究其热传导性能和流体动力学特性，而不会对局部的几何细节造成影响。

本研究着重探讨列车制动盘在风洞试验中特有的动态响应特征。实验中采用如图2所示的模型配置，将制动盘安置于4150mm×1200mm×1750mm的三维计算空间内。该区域各边长分别为4150mm、1200mm和1750mm，其中车轮边缘与底板之间的垂直距离（即制动盘半径）保持恒定为125mm。制动盘以水平轴作为旋转中心，沿逆时针方向进行匀减速运动，初始转速设定为250km/h，加速度则维持在-1.1m/s²。基于上述工况条件，可通过数学公式推导出瞬时线速度v(t)与角速度ω(t)随时间变化的具体函数关系。

2.2.2 网格划分及独立性验证

计算区域已经建立了四面体网格结构，图3为制动盘核心区域高精度局部网格划分情况，在壁面附近用密集节点布置提高了空间分辨率，保证仿真结果准确。根据提高边界层解析质量的考虑，在图3中设置厚度为1mm的虚拟边界层，将其分割成独立子区随主计算域一起移动，可以有效地避免由于网格变形造成的误差，使整体仿真更加稳定可靠。

进行了详细的网格独立性验证分析，数据见表1。随着网格数量不断增多，到1854万，与网格数量1466万相比，通道总体平均对流换热系数h_t的误差约为0.58%，满足网格独立性验证的要求，因此采用B方案进行后续计算。

方案	加密尺寸(mm)	网格数量	JBS,v(s-1)	ht(W/(m2·K))
A	5	9845214	303.148	273.695
B	3	14664221	304.253	272.110
C	2	18542647	305.548	274.848

2.3 模拟结果

2.3.1 制动盘内部通道的速度场分布

图4显示了制动盘制动20s时的速度云图，内部通道的流速能够直接影响制动盘内表面的局部热传递模式。从图中可以看出，高速滚动状态下的制动盘内部通道的速度分布不均匀，不同通道下的流速变化较大，但不同圈数下的整体速度场分布较为相似。

2.3.2 制动盘盘面温度分布

图5显示了制动盘滚动20s下的制动盘表面温度云图，由图可以看出当列车制动时，气流从内部进风口流入，气流携带热量在制动盘外侧出口附近聚集。除右上角摩擦部份最边缘温度可达到537.7k以外，其余部分温度分布情况相似，最高温在最边缘处，温度为480.1k。

2.4 制动盘内部通道的温度分布

图6为制动盘连续工作20秒后内部通道温度场分布，研究结果表明，在通道进口处具有较好的传热性能，并且其分布特征和涡量场有很好的吻合关系。随着气流从通道右侧方向流动，温度边界层慢慢靠近制动盘表面，在出口处附近产生局部低雷诺数湍流区，温度梯度明显变小。

3 制动盘散热肋设计及模拟

3.1 传散热肋模型设计

根据上一章的分析，这一章主要研究在内部通道竖向肋对散热影响的规律。内部通道高29mm，长89mm，散热肋模型如图7，并且以散热肋角度与长度方向为变量设计了9种模型，具体数据见表2，其中表中间为方案序号。

角度（°） / 长度（mm）	15	22.5	30
8.88	①	④	⑦
8.2	②	⑤	⑧
7.5	③	⑥	⑨

模型建立时依然保持着外部流体域，旋转域，制动盘和内部通道四部分。内部通道流体模型如图8。

3.2 制动盘内部通道的流体流动与传热特性

基于上一小节所建立的物理模型，开展数值模拟仿真。从流体的平均速度、平均温度、进出口压差、平均绝对涡量以及制动盘盘面平均温度角度出发，系统分析流动状态与传热特性。通过对比不同结构下各参数的变化规律，揭示涡量与压差、速之间的关系，以及对换热效率的影响，从而为制动盘的散热优化提供理论依据。

如图9所示，散热肋长度减小时，通道内平均流速显著增加；而增大散热肋角度会增强流动阻碍，使平均流速降低。由图10可见，随散热肋长度增加，进出口压差下降，涡量变化趋势与之一致，说明涡越强，压损越大。结合图11和图12，制动盘盘面平均温度与内部流体温度变化趋势高度一致，均在第五组参数下最低，且相比无散热肋时有所下降。分析表明：在第五组参数之前，流速变化较小，涡量主导换热强化，涡量增加利于降温；之后，尽管涡量继续增大，但散热肋长度减小或角度增大导致流速显著下降，流体携热能力减弱，盘面与流体温度反而上升。因此，第五组之后，流速成为影响传热的主要因素，单纯增加涡量无法弥补流速降低带来的换热效率下降。

4 结论

为深入探究二次流对制动盘内部通道传热特性的作用机制，本文设计了9个散热肋模型，使用Fluent进行模拟仿真，对流体的平均速度、平均温度、进出口压差、平均绝对涡量以及制动盘盘面平均温度进行分析，得出以下结论：

1. 制动盘高速滚动时，内部通道流速分布呈现明显的不均匀性，空气自旋转轴附近流入，沿径向从边缘通道流出。
2. 压力场方面，来流在迎风侧形成正压区，内部通道左半部分为负压区、右半部分为正压区，涡量分布与压力分布规律一致，最大值出现在螺栓后方的回流区。
3. 温度分布显示，最高温度位于制动盘右上角摩擦区域边缘（537.7 K），其余区域温度相对均匀。内部通道入口处换热效果最佳，温度边界层随气流向右流动逐渐向盘面靠近，出口附近出现大范围温度变化较小的弱换热区域。
4. 在散热肋安装角度相同时，通道内平均流速随散热肋长度的减小而显著增加；此外，当散热肋角度增大时，流动阻碍增强，但会导致通道内平均流速降低。
5. 各角度下内部通道流体的进出口压差均随散热肋长度的增加而下降，而涡量的变化趋势与进出口压差基本一致，表明涡量越强，压差损失越大。
6. 在分析制动盘散热特性时，制动盘盘面平均温度与内部通道流体的平均温度变化趋势高度吻合，两者均在第五组参数条件下达到最小值。这一现象说明：在第五组参数之前，流速变化较小，涡量对换热的强化作用占据主导地位，涡量增加有利于降低温度；而在第五组参数之后，涡量虽继续增大，但由于通道平均流速显著降低，反而使盘面温度与流体温度上升，流速成为影响传热性能的主要因素。

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