Heat transfer and thermal behaviour of a rotating disk passed by a planar air stream

Abstract

 The aerodynamics of a thin, but finite, free rotating disk in an outer forced flow field with constant mean velocity parallel to the disk plane are investigated numerically. The heat transfer coefficients and their distributions on the isothermal disk surface are calculated for several velocities in case of air. Appropriate correlations are derived for the Nusselt number as function of the involved similarity numbers. The idealised model is faced also with the heat transfer problem of an actual motorbike disk brake. The transient heat conduction within rotating disks are treated analytically using the integral-transform technique. This enables even for heat sources which are very short in space a certain estimation of the azimuthal variations of the temperature field due to the rotation.

Zusammenfassung

 Die Strömung über einer dünnen frei rotierenden Scheibe, die parallel zur Scheibenebene angeströmt wird, ist Gegenstand der vorliegenden numerischen Untersuchungen. Die Wärmeübertragungskoeffizienten und ihre Verteilungen auf der isotherm angenommenen Scheibenfläche werden für verschiedene Geschwindigkeiten für Luft berechnet. Geeignete Korrelationen für die Nusselt-Zahl als Funktion der involvierten Kennzahlen werden abgeleitet. Das idealisierte Modell wird ebenfalls mit dem konvektiven Wärmeübertragungsproblem für reale Scheibenbremsen von Motorrädern konfrontiert. Die resultierenden Temperaturverteilungen und die transienten thermischen Effekte aufgrund der Wärmeleitung in der rotierenden Scheibe werden analytisch mit Hilfe der Integral-Transformationstechnik untersucht. Dies ermöglicht gerade im Falle von räumlich eng begrenzten Wärmequellen eine sichere Abschätzung der zu erwartenden azimuthalen Temperaturvariationen aufgrund der Scheibenrotation.