中圖分類(lèi)號(hào)：U271.91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.061

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0207-04

0 引言

速度是交通領(lǐng)域的永恒主題，當(dāng)下全球高速鐵路飛速發(fā)展，各個(gè)國(guó)家的速度競(jìng)賽愈演愈烈，有效地提升速度是當(dāng)下全球各個(gè)國(guó)家面臨的共同難題。沈志云院士提出，當(dāng)列車(chē)速度 h之后，空氣阻力將會(huì)占總阻力的 80% 以上。為此，真空管道技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)實(shí)現(xiàn)高速磁浮低阻力運(yùn)行，可以大大提升列車(chē)運(yùn)行速度并減少能耗。因此開(kāi)展低真空環(huán)境下列車(chē)氣動(dòng)特性的研究不僅關(guān)系到列車(chē)運(yùn)行品質(zhì)，更對(duì)我國(guó)高速磁浮未來(lái)發(fā)展的研究推進(jìn)工作具有積極意義。

高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)是研究列車(chē)周?chē)諝庠诹熊?chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其影響，以及研究通過(guò)設(shè)計(jì)和改變車(chē)體外形來(lái)減少阻力、降低列車(chē)運(yùn)行能耗的手段。目前，對(duì)高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究的主要手段包括模型試驗(yàn)、實(shí)車(chē)測(cè)量、數(shù)值計(jì)算等。

在數(shù)值計(jì)算方面，Kim等對(duì)氣壓、阻塞比和列車(chē)車(chē)速進(jìn)行了研究，分析了其對(duì)列車(chē)氣動(dòng)特性的影響。劉加利等基于三維可壓縮模型計(jì)算對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)開(kāi)展了研究，得出結(jié)論為氣動(dòng)阻力系數(shù)主要受阻塞比影響較大。黃尊地等5研究了列車(chē)車(chē)速、真空度、阻塞比和環(huán)境溫度對(duì)真空管道壓強(qiáng)的影響。張銀龍等探究了不同阻塞比對(duì)管道內(nèi)氣動(dòng)熱環(huán)境、列車(chē)氣動(dòng)力以及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。這些研究為超高速真空管道交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

然而，針對(duì)低真空管道環(huán)境下高速磁浮列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)值研究目前還是較少，因此有必要對(duì)低真空高速條件下列車(chē)氣動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)性研究。

1空氣阻力計(jì)算模型

基于列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)，采用CFD的研究方法對(duì)高速磁浮列車(chē)在低真空條件下的氣動(dòng)特性進(jìn)行研究，需要建立合理的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算模型，才能保證計(jì)算精度。本文主要對(duì)高速磁浮運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車(chē)體周?chē)鷼饬鞅旧淼撵o止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及氣流和列車(chē)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互作用展開(kāi)研究。

1.1流體流動(dòng)模型

真空管道中的壓力越低，氣體的稀薄效應(yīng)越突出。而氣體流動(dòng)的稀薄程度用Knudsen數(shù)表示：

K n=λ/L

式中：

λ——分子平均自由程；

L ——流動(dòng)特征長(zhǎng)度。

氣體分子的平均自由程是分子兩次碰撞間運(yùn)動(dòng)路程的平均值。按照硬球模型考慮時(shí)，分子平均自由程用式（2）計(jì)算：

式中：

n——分子的數(shù)密度；

d——分子直徑。

根據(jù)壓力和溫度的關(guān)系：

式中：

——壓力；

T——溫度；

"——Boltzmann常數(shù)，

故有：

由式（4）可知，分子的平均自由程與環(huán)境溫度成正比、與壓力成反比。常溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，分子的平均自由程為 ，而本文計(jì)算的真空管道內(nèi)壓力為101. ，故此時(shí)分子平均自由程為

高速磁浮列車(chē)的流動(dòng)特征長(zhǎng)度可按照列車(chē)的高度計(jì)算，對(duì)于典型的高速磁浮列車(chē)，其流動(dòng)特征長(zhǎng)度可取為3.7m 。由此可知，本文所考慮的Knudsen數(shù)最大值為：

當(dāng) K ngt;10 ，氣體流動(dòng)屬于自由分子流領(lǐng)域；當(dāng) 0.1lt; K nlt;10 ，氣體流動(dòng)屬于過(guò)渡領(lǐng)域；當(dāng) 0.01lt; Knlt;0.1，氣體流動(dòng)屬于滑移領(lǐng)域;當(dāng)Klt;0.01時(shí)，可根據(jù)連續(xù)介質(zhì)模型來(lái)描述氣體流動(dòng)。

故本文中真空管道內(nèi)氣體流動(dòng)可以按照連續(xù)介質(zhì)模型考慮。

1.2流體控制方程

當(dāng)高速磁浮列車(chē)在真空管道中運(yùn)行時(shí)，管道內(nèi)的空氣應(yīng)考慮為可壓縮氣體，列車(chē)附近的流場(chǎng)按壓縮流場(chǎng)計(jì)算，湍流模型采用 標(biāo)準(zhǔn)模型，其控制方程為：

1.3 幾何模型

真空管道高速磁浮列車(chē)基于國(guó)內(nèi)某高速磁懸浮，采用頭車(chē) + 中間車(chē) + 尾車(chē)的三車(chē)編組模式（圖1），并忽略了懸浮架在內(nèi)的車(chē)體外部復(fù)雜細(xì)部結(jié)構(gòu)。列車(chē)地板距離地面為 。列車(chē)基本參數(shù)如表1所示。

1.4網(wǎng)格驗(yàn)證與計(jì)算模型

網(wǎng)格的生成一直以來(lái)是計(jì)算流體力學(xué)一個(gè)十分重要的領(lǐng)域，直接影響計(jì)算結(jié)果的最終精度和效率。為了在網(wǎng)格生成與后處理中與幾何模型保持緊密的聯(lián)系，采用ICEM-CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

為驗(yàn)證網(wǎng)格精度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，本文以不同尺寸劃分了5套網(wǎng)格對(duì)真空管道列車(chē)氣動(dòng)特性分別進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算工況為速度 600k m/h ，阻塞比為0.4，壓力為大氣壓的 1% ，為1013.25 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），在此工況下，比較網(wǎng)格變化對(duì)頭車(chē)阻力的影響。由表2的計(jì)算結(jié)果可知：第1套網(wǎng)格的頭車(chē)阻力值較第2套大64N，較第3套大 同時(shí)在對(duì)第4套、第5套網(wǎng)格進(jìn)行局部加密后，列車(chē)頭部阻力變化不大。由此可見(jiàn)，5套網(wǎng)格中第3套網(wǎng)格最滿(mǎn)足網(wǎng)格獨(dú)立性要求，本文以此展開(kāi)仿真模擬。

1.5 計(jì)算條件

本文基于FLUENT軟件，采用有限體積法對(duì)真空管道高速磁浮列車(chē)的氣動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬。列車(chē)在真空管道中高速運(yùn)行，管道內(nèi)的流場(chǎng)發(fā)生劇烈擾動(dòng)壓縮。因此，數(shù)值模擬采用Navier-Stoke方程以及 兩方程湍流模型。

2不同大氣壓力下的列車(chē)氣動(dòng)特性

列車(chē)在阻塞比為0.4、運(yùn)行速度為 600km /h的工況下，管道壓力對(duì)列車(chē)氣動(dòng)特性的影響見(jiàn)圖2。本文設(shè)置了五種不同壓力環(huán)境，分別為101.325 Pa（0.001 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）506.625Pa（0.005標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）1013.25Pa （0.01標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）、5066.25 Pa （0.05標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）、 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）。

由圖2可知，各節(jié)車(chē)的阻力隨著運(yùn)行環(huán)境壓力的上升而增大。其中，尾車(chē)阻力對(duì)壓力變化最為敏感，當(dāng)壓力從101.325Pa增大到10 132.5Pa 時(shí)，阻力增加 gt;70000N其次為頭車(chē)，阻力增加了約24000N；中間車(chē)的阻力變化只有小幅度的增加。

磁浮列車(chē)的頭車(chē)升力向下，尾車(chē)升力向上，中間車(chē)升力較小，方向向上。隨著列車(chē)的壓力增加至1 時(shí)，各節(jié)列車(chē)的升力均有所增大，其中頭車(chē)和尾車(chē)的升力大幅度增加， gt;12000N。

磁浮列車(chē)的阻力的壓差阻力對(duì)壓力變化較為敏感，最大變化 gt;80000N，其是影響總阻力大小的首要因素。隨著壓力的變化，黏性阻力比較平緩。

從圖2可以看出，磁浮列車(chē)周?chē)鷫毫Φ淖兓瘜?duì)列車(chē)的氣動(dòng)特性影響較大，主要表現(xiàn)在頭車(chē)尾車(chē)的壓差阻力和升力上：各節(jié)車(chē)的阻力、升力與環(huán)境壓力呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系。

3不同阻塞比下的列車(chē)氣動(dòng)特性

阻塞比是列車(chē)橫截面面積與管道橫截面面積的比值，磁浮列車(chē)在不同截面大小的管道里運(yùn)行，氣動(dòng)特性差異較大。在管道壓力為 1013.25Pa（0.01 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）列車(chē)的運(yùn)行速度為 600k m/h的工況下，磁浮列車(chē)的阻力、升力與阻塞比之間的關(guān)系見(jiàn)圖 3. 本文設(shè)置了列車(chē)在四種不同阻塞比運(yùn)行的工況，阻塞比分別為0.2、0.3、0.4、0.5。

由圖3可知，隨著阻塞比的增大，磁浮列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)的擾動(dòng)越來(lái)越劇烈，列車(chē)的阻力隨著阻塞比的增大而大幅增加。列車(chē)尾車(chē)的阻力增加最大，約7000N，其次是頭車(chē)，中間車(chē)變化不明顯。

頭車(chē)和中間車(chē)的升力變化不明顯，尾車(chē)的升力與阻塞比的關(guān)系呈現(xiàn)U字形，即尾車(chē)升力隨著阻塞比的增加先減小后增大。這是由于尾車(chē)升力主要是列車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng)與其上部環(huán)境流場(chǎng)的氣壓差決定的，阻塞比在0.2左右時(shí)，尾車(chē)上部的環(huán)境流場(chǎng)與尾車(chē)壓差較大，隨著阻塞比減小，在阻塞比為0.3、0.4時(shí)，頂部管壁越來(lái)越靠近列車(chē)，尾車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng)趨于均勻，所以升力減小。在阻塞比為0.5時(shí)，列車(chē)與管壁空隙較小，空隙間氣流流速較快，形成強(qiáng)烈的負(fù)壓區(qū)，造成列車(chē)升力急劇增加。不同阻塞比列車(chē)阻力由黏性阻力和壓差阻力兩部分組成。黏性阻力主要是列車(chē)運(yùn)行時(shí)氣體的黏性所引起的，也稱(chēng)為摩擦阻力。壓差阻力是由于運(yùn)動(dòng)物體的前后所形成的壓強(qiáng)差所形成的。從圖3（c）可以看出，列車(chē)總阻力隨著阻塞比的增大而增大。阻塞比的變化對(duì)黏性阻力的影響很?。粔翰钭枇﹄S著阻塞比的增加大幅增加。這是由于阻塞比的增加，管道內(nèi)的氣流在高速列車(chē)擾動(dòng)下，產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動(dòng)。

4不同速度下的列車(chē)氣動(dòng)特性

真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)為磁浮列車(chē)搭建了真空環(huán)境，避免了地面明線(xiàn)情況下稠密空氣對(duì)列車(chē)運(yùn)行的阻礙，因此真空管道內(nèi)磁浮列車(chē)的速度可得到大幅度提升。在環(huán)境壓力為1013.25 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）、阻塞比為0.4的工況下，列車(chē)的運(yùn)行速度與氣動(dòng)特性的關(guān)系見(jiàn)圖4。本文設(shè)置了列車(chē)4種不同速度下運(yùn)行的工況，運(yùn)行速度分別為 600k m/h.700k m/h.800k m/h.900k m/h。

由圖4（a）可知，隨著磁浮列車(chē)運(yùn)行速度的提高，頭車(chē)的阻力增加最大，約為 4000N ：尾車(chē)阻力隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高而增加，但是增加的速度在放緩，阻力變化約為4000N；中間車(chē)的阻力沒(méi)有較大變化。

由圖4（b）可知，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，尾車(chē)的尾擺效應(yīng)加劇，尾車(chē)的升力急劇增加，約為6300N；頭車(chē)的升力只有緩慢地上升；中間車(chē)的升力變化不明顯。

由圖4（c可知，隨著列車(chē)速度的提高，磁浮列車(chē)的氣動(dòng)性能開(kāi)始惡化，列車(chē)總阻力大幅度提高。速度的變化對(duì)黏性阻力影響不大；列車(chē)的壓差阻力隨著列車(chē)的速度增大而增大，在速度達(dá)到900km/h時(shí)，壓差阻力占總阻力的 90% 以上。

5結(jié)語(yǔ)

高速磁浮列車(chē)在真空管道中運(yùn)行，不同環(huán)境壓力、阻塞比、運(yùn)行速度對(duì)其氣動(dòng)特性影響較大。磁浮列車(chē)的阻力與環(huán)境壓力呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，列車(chē)的頭車(chē)和尾車(chē)阻力隨著壓力增大而增大。真空管道的截面大小對(duì)列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)流動(dòng)產(chǎn)生較大影響，阻塞比的增加，即真空管道的截面面積減小，使列車(chē)阻力大幅增加，加劇了尾部氣流的不穩(wěn)定性。隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，列車(chē)的阻力相應(yīng)增加，其中頭車(chē)阻力、尾車(chē)升力增幅較大。

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