Thermal design of brake disks used in rail vehicles
Raylı sistem araçlarında kullanılan fren disklerinin termal yönden tasarımı
- Tez No: 797567
- Danışmanlar: PROF. DR. MESUT DÜZGÜN, PROF. DR. STEFAN AUS DER WIESCHE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Otomotiv Mühendisliği, Mechanical Engineering, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Gazi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 144
Özet
Zorlu koşullar altında fren diski termal davranışının tahmini, acil durum ve sabit hızda frenleme durumları için önemli bir mühendislik problemi haline gelmiştir. Tezin ilk bölümünde, gerçekçi ve zamana bağlı sınır koşulları ile sonlu farklar yöntemi (FDM) kullanılarak bir termal model geliştirilmiştir. Diskteki termal gerilmeler için pratik bir tahmin yöntemi, en yüksek sıcaklığa sahip konumlardan çeşitli zamanlardaki eksenel sıcaklık dağılımları kullanılarak uygulanmıştır. Bunun dışında, modeldeki disk/balata ikilisinin bire bir konfigürasyonu, geliştirilen model ile karşılaştırmak için doğrulanmış bir ticari CFD yazılımı olan Simcenter STAR-CCM+'da modellenmiştir. Bu model kullanılarak, sıcaklığa bağlı malzeme özelliklerinin termal davranış üzerindeki etkisi incelenmiştir. Geliştirilen model, nispeten yeni bir standartta (EN 14535-3) bir demiryolu fren diskinin maruz kaldığı koşulları oldukça hızlı ve makul bir doğrulukla benzeştirebilmektedir. Modeldeki fren diskinin farklı noktalarından alınan veriler ile, 110-160 km/h hız seviyelerinden durma anına kadar ki zamana bağlı sıcaklık dağılımları, ayrıntılı şekilde ortaya konulmuştur. Geliştirilen model Simcenter STAR-CCM+'a göre yaklaşık 94 kat daha hızlı bir şekilde çözüm elde etmektedir. Tezin ikinci bölümünde, deneysel konvektif ısı transferi çalışmaları yürütülmüş ve yeni bir yaklaşımla Nusselt sayısı korelasyonları, yaklaşık 3.75 × 10^5 dönel Reynolds sayısına kadar belirlenmiştir. Isı transferinin dönen disk üzerindeki akışın kararlılığı üzerindeki etkisi niteliksel olarak gösterilmiştir. Bunun dışında, sabit hızda frenleme durumunda serbest dönen diskin simülasyonu için kompleks bir CFD modeli geliştirilmiş. Bu CFD modelinin yapılan deneylerle doğrulanmıştır. Geliştirilen CFD modelindeki metodoloji kullanılarak düşük dönüş hızı için soğutma kanatçıklarına sahip bir fren diski simüle edilmiştir. CFD modelinin sonuçları, kompleks geometriye sahip fren diskinin gerçekçi test durumunu simüle edebildiği görülmüştür. Tezin çıktıları, fren diskinin acil durumlara yönelik optimizasyon çalışmalarına katkıda bulunacak niteliktedir. Bir diğer katkı ise, yeni deneysel yöntemle doğrulanan CFD modelinden elde edilen Nusselt korelasyonlarının sabit hızda frenleme durumları için hesaplamalarda kullanılabilmesidir.
Özet (Çeviri)
The prediction of brake disk thermal behavior under challenging conditions has become an important engineering issue for emergency and drag braking cases. In the first part of the thesis, a thermal model is developed using the finite difference method (FDM) with realistic and time-dependent boundary conditions. A practical prediction method for thermal stresses in the disk is applied using the axial temperature distributions at several time instants from locations with highest temperature. Apart from that same configuration of the disk with the pad is modelled in Simcenter STAR-CCM+ which is a well-validated commercial CFD software to compare the results. Using this model, an investigation has been conducted on the effect of temperature-dependent material properties on thermal behavior. The developed numerical model can simulate the conditions experienced by a railway brake disk in a relatively new standard (EN 14535-3) with relatively low computational time and reasonable accuracy. Using the data taken from different points of the brake disk in the model, time-dependent temperature and thermal stress distributions from speed levels of 110-160 km/h until the moment of stopping are presented in detail. The developed model obtains a solution approximately 94 times faster than the Simcenter STAR-CCM software. In the second part of the thesis, experimental convective heat transfer studies are conducted and the Nusselt number correlations are determined up to the rotational Reynolds number 3.75 × 10^5 with a novel approach. The influence of heat transfer on stability of flow over rotating disk is qualitatively shown. Apart from that, a complex CFD model is developed and validated by experiments with the aim of implementation of that CFD model for drag braking case. Finally, brake disk with cooling ribs for a low rotational speed is simulated using the methodology of the developed CFD model. The results of the CFD model shows that it is capable of simulating the realistic test case of brake disk with complex geometry. Outcomes of the thesis contributes to optimization studies of railway brake disk with respect to emergency cases using the developed fast thermal model. Another contribution is that Nusselt correlations can be used for drag braking calculations that are obtained through CFD model which is validated by novel experimental method.
Benzer Tezler
- Raylı araçlarda kullanılan fren disklerinin vermiküler grafitli dökme demir olarak üretilmesi ile mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi
Improvement of mechanical properties with manufacturing as vermicular graphite cast iron of brake discs used on rail vehicles
ONUR ER
Doktora
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDİNÇ KALUÇ
- Thermo-elastic analysis and multi objective optimal design of functionally graded flywheel for energy storage systems
Enerji depolama sistemleri için fonksiyonel derecelendirilmiş volan termoelastik analizi ve çok parametreli optimizasyonu
ALPER UYAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM OZKOL
- Otomotiv fren disk tasarımı için ısı transfer karakteristiği incelenmesi
Investigation of heat transfer characteristic for automotive brake disc design
ÖZNUR ÇETİN GİRAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZDEN AĞRA
- Evaluation of the thermal performance of automotive brake disc
Otomobil fren diskinin termal performansının ölçülmesi
KAAN TAMER ERKILIÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiAtılım ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAHIM JAFARI
- Orta güçlü bir girdap akımı freni tasarımı ve sonlu elemanlar yöntemi ile analizi
Design and finite element analysis of a medium power eddy current brake
MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ