Numerische Simulation der Umströmung und des Wärmeübergangs an PKW-Scheibenbremsen

In dieser Arbeit wird eine effiziente Methodik zur thermischen Simulation von umströmten PKW-Scheibenbremsen vorgestellt. Die Methodik beruht auf einer getrennten, sequentiellen Lösung des Strömungs- und Temperaturproblems für das Fluid sowie des Temperaturproblems für den Festkörper. Zur Strömungsberechnung kam ein auf den Reynoldsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen basiertes Finite-Volumen-Verfahren zur Anwendung. Die Wärmeübertragung in der Bremsscheibe wurde mit einem Finite-Elemente-Verfahren berechnet. Zur Kopplung beider Verfahren wurde ein Ansatz entwickelt, der auf einer indirekten Anwendung von Analogien zwischen Impuls- und Wärmeübertragung sowie der Lösung der Energiegleichung für die Strömung beruht.

Zur Validierung der Berechnungsmethodik wurden zwei Testfälle untersucht. Der Testfall der überströmten, rotierenden und beheizten Scheibe zeigte, dass der gewählte entkoppelte Ansatz zur thermischen Berechnung hinreichend gute Übereinstimmungen mit den im Windkanal gemessenen Geschwindigkeits- und Temperaturverteilungen liefert. Der Einfluss unterschiedlicher Nahwand- und Turbulenzmodelle wurde untersucht und geeignete Modelle ausgewählt. Der zusätzliche Abgleich mit Ergebnissen aus gekoppelten Wärmeübergangsberechnungen erlaubte die Abschätzung des Fehlers, der in der Simulation bei der Annahme konstanter Stoffwerte gemacht wird. Weiterhin wurde analysiert, welche thermische Hilfsrandbedingung bei Anwendung des Analogieansatzes verwendet werden sollte.