超級汽車製造商 Koenigsegg
採用CAD嵌入式CFD的跑車制動器(剎車)冷卻模擬
制動冷卻是賽車和跑車工程中的關鍵領域。瑞典哈爾姆斯塔德大學（Halmstad University）的Arne Lindgren最近撰寫的一個論文項目，為超級跑車的極端條件考慮了不同的冷卻方案。這個為超級汽車製造商Koenigsegg Automotive AB進行的項目旨在為他們的最新車型Regera設計一個高效的制動器冷卻解決方案。（圖一）。
Lindgren在論文中評估了Regera的幾種制動器冷卻設計。對於他的CFD模擬，他使用Mentor Graphics公司，嵌入CATIA V5中的FloEFD – 實驗測試被認為太昂貴，無法取得某些流量數據。
普通乘用車不需要專用的制動冷卻，但對於必須負荷比賽條件的跑車而言，這是一個巨大的挑戰。正常駕駛條件下，普通汽車制動器的環境空氣冷卻效果通常是足夠的。現代道路車輛配備有內部通風的制動碟盤（至少會裝配在前軸，通常在後軸也會使用）。內部葉片有助於輸送空氣通過制動碟盤，內部流道是發生最大散熱的地方。
制動器過熱可能會導致許多問題：
- 摩擦材料損壞；
- 制動碟盤上的熱應力會導致變形和破裂；
- 制動液汽化在制動鉗(Brake Caliper)中；
這些故障可能導致部分或全部的制動器失效，這是非常嚴重的。關於賽車和賽車的賽道駕駛，這個問題變得更加複雜。考慮到在行駛過程中頻繁的使用制動器，Koenigsegg工程設計團隊使用將環境氣流引導至制動器的特殊冷卻流道，來確保充分的冷卻性能。
制動器主要通過對流的熱傳模式進行冷卻，在這種模式下，流體吸收熱量並將其從高溫物體上帶走。Lindgren的工作重點是改善制動器的對流空氣冷卻，並將他的研究聚焦在前軸制動器上，因為這是發熱量最大的地方。在上一代Koenigsegg汽車上使用的制動器冷卻解決方案被用作冷卻模擬的基準。
基本設計包括汽車前保險槓（捕捉周圍氣流）的入口導管和將空氣導引到導管(或噴嘴)的柔性軟管。導管(或噴嘴)安裝在車輪軸承座上，並將冷卻空氣導向中心的制動碟盤，如(圖三)所示。模擬相關的幾何CAD模型由Koenigsegg提供，用於嵌入式CFD模擬。
使用FloEFD，模擬的組態配置是在CAD軟體中完成的，無需匯出/匯入幾何圖形。該軟體還具有自動網格劃分、分析專案配置導引和集成後處理等功能，所有這些功能都來自CAD軟體。
Arne Lindgren, Halmstad University, Sweden
圖三：制動器安裝在Koenigsegg Regera直立式冷卻風管上。
圖一：Koenigsegg Regera
圖二：Koenigsegg Regera前制動器
在模擬原始設計方案之後，針對制動器流道產生不同概念設計方案並模擬其冷卻效果。同樣的數值模型用於原始設計和概念設計模擬分析，只有制動器流道的幾何形狀和流道入口邊界條件的位置發生變化。模擬直接在CATIA V5繪圖軟體介面中，以嵌入式熱流軟體FloEFD，取其中的3D幾何模型進行。如此可對複雜幾何形狀進行有效熱流模擬分析。自動網格劃分功能、專案組態導引、後處理功能以及CAD環境中可以直接修改幾何結構，從而提升工作流程的效率。
圖四：制動器模擬分析數值模型。
環境風度定義為150公里/小時，這是一個典型的賽道平均速度。在駕駛室的內側施加來自散熱器的附加氣流(圖四，紅色箭頭)。通過前保險槓進氣道的柔性軟管的氣流被模擬為一個壓力，以獲得所有可能的制動器流道設計的實際流速。旋轉對稱的幾何形狀(如輪胎和制動碟盤摩擦表面)的旋轉由壁面條件定義。使用FloEFD滑動網格方法(Sliding mesh approach)模擬非旋轉對稱的部分。3D主體(旋轉區域)用於定義哪些幾何形狀應該旋轉，在本次分析中是輪輻和制動碟盤流道。在地面施加150km / h的平移速度以模擬地面效應。CFD模擬只考慮對流，因為這是此案例中影響大且最簡單的熱傳過程，並且佔總散熱比重約60-90％。在部件表面施加的表面溫度是根據Koenigsegg在軌道測試期間記錄的量測值。使用FloEFD雙尺度壁面函數技術進行了大約350萬網格的模擬計算，相較於傳統CFD軟體，此技術讓FloEFD可以使用更精簡的網格進行熱流分析。
這些概念是基於Lindgren自己的想法，觀察到的制動器冷卻設計，以及在其他應用中的觀察，同時僅可能顧及製造的可行性。使用上述的FloEFD邊界條件研究了12個不同的概念設計方案。在給定的設定下，模擬時間約為24小時，計算機上配有一個3.5 GHz的六核Intel Xeon E5 CPU和32 GB RAM。
在這項研究中，FloEFD能夠在廣泛的概念設計範圍內提供趨勢預測，儘管Lindgren仍然建議將來需要使用更多的計算資源，更多地檢查更精細的網格設定和計算輻射效應。然而此處所描述的CFD結果顯示，與以前的Koenigsegg導管作為原始設計進行制動冷卻相比，可以通過簡單的迭代過程建立、分析和開發新的概念設計方案。透過CATIA V5嵌入式版本的FloEFD進行模擬，使得這些研究成為可行。建立每個概念設計的真實原型將導致更高成本和更多時間。現在最有前景的解決方案可以在結構分析、製造過程方面進行更深入的研究，最後作為原型生產出來。