真空管道高速列車氣動(dòng)阻力及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

真空管道高速列車氣動(dòng)阻力及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)真空管道高速列車氣動(dòng)阻力特性和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法開展了深入系統(tǒng)研究，建立低壓環(huán)境下真空管道高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，研究管道壓力、阻塞比和列車速度對(duì)列車氣動(dòng)阻力的影響。在此根底上，以明線上運(yùn)行速度為400km/h的高速列車氣動(dòng)阻力為限值，確定出真空管道高速交通系統(tǒng)的最正確管道壓力、阻塞比和列車速度關(guān)系。研究說明，在低壓(1×103～1×104Pa)環(huán)境下，真空管道中的空氣流動(dòng)可以采用連續(xù)介質(zhì)模型描述。高速列車的氣動(dòng)阻力系數(shù)基本上與管道壓力和列車速度無關(guān)，主要依賴于阻塞比。高速列車的氣動(dòng)阻力隨阻塞比的增加而增大，且與管道壓力近似成線性關(guān)系，與列車速度近似成平方關(guān)系。本文同時(shí)給出了真空管道高速交通系統(tǒng)最高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件下的管道壓力、阻塞比和列車速度的計(jì)算公式，并由此確定出最正確的管道壓力、阻塞比和列車速度關(guān)系。

發(fā)展高速鐵路成為世界鐵路運(yùn)輸發(fā)展的共同趨勢(shì)，也是鐵路技術(shù)現(xiàn)代化的主要標(biāo)志。隨著列車運(yùn)行速度的提高，許多在低速時(shí)被合理忽略的問題都逐漸浮出水面，并且在很大程度上影響著列車的提速。與普通列車相比，高速列車所處的動(dòng)態(tài)環(huán)境發(fā)生了質(zhì)的變化，由機(jī)械、電氣作用為主，變成了以氣動(dòng)作用為主。低速運(yùn)行時(shí)，列車阻力中的氣動(dòng)阻力所占比例很小，但當(dāng)速度到達(dá)200和300km/h時(shí)，氣動(dòng)阻力在總阻力中所占的比例將上升到70%和80%左右。高速帶來的噪聲問題更為嚴(yán)重，當(dāng)列車的運(yùn)行速度超高300km/h，列車運(yùn)行產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲將會(huì)超過輪軌噪聲，成為高速列車的主要噪聲?？朔鈩?dòng)作用是地面高速交通的主要任務(wù)。氣動(dòng)阻力與速度的二次方成正比，氣動(dòng)噪聲與速度的六次方成正比，這是任何地面交通工具都無法防止的客觀規(guī)律。在地表稠密的大氣層中運(yùn)行的高速交通工具，其最高速度都不宜超高400km/h。然而，實(shí)現(xiàn)更高速度確有客觀需要，也是交通科技工作者孜孜以求的夢(mèng)想。地面高速交通的障礙來自周圍介質(zhì)，即稠密大氣，提速的根本途徑只能是改變介質(zhì)的密度。真空管道高速交通作為下一代高速運(yùn)載工具的想法應(yīng)運(yùn)而生。列車在抽成低氣壓的密閉管道里運(yùn)行，其所處的介質(zhì)發(fā)生變化，其動(dòng)態(tài)環(huán)境可變?yōu)槿f米高空(如到達(dá)0.2×105Pa)或者宇宙(1～10Pa)，由此可以實(shí)現(xiàn)音速或者超音速運(yùn)行。

目前，從全球范圍來看，真空管道高速交通尚無先例可供參考，對(duì)真空管道高速交通的設(shè)想主要有兩種：美國(guó)的ETT系統(tǒng)和瑞士的超高速地鐵。美國(guó)ETT公司只是對(duì)真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)的總體設(shè)想開展了介紹，并未對(duì)其列車空氣動(dòng)力學(xué)問題開展深入研究。瑞士超高速地鐵工程研究的主要課題中雖然包含了高速車輛與管道內(nèi)的空氣動(dòng)力學(xué)問題，但是只局限于大氣壓力為1×104Pa，列車運(yùn)行速度為400～500km/h條件下的列車空氣動(dòng)力學(xué)特性。文獻(xiàn)采用二維不可壓縮模型研究了真空管道中阻塞比對(duì)列車氣動(dòng)阻力的影響特性。文獻(xiàn)采用二維可壓縮模型研究了真空管道高速列車氣動(dòng)阻力與列車速度、阻塞比和管道壓力的關(guān)系。真空管道高速列車空氣動(dòng)力學(xué)的研究正處于起步階段，已有的相關(guān)研究，其計(jì)算模型都相對(duì)簡(jiǎn)單，與實(shí)際情形差異較大。

目前，國(guó)內(nèi)外尚未有關(guān)于真空管道高速列車氣動(dòng)特性的三維數(shù)值模擬。管道壓力、阻塞比和列車速度如何影響真空管道高速列車的氣動(dòng)阻力，如何科學(xué)地確定出真空管道高速交通系統(tǒng)的最正確管道壓力、阻塞比和列車速度關(guān)系，目前均無系統(tǒng)的研究?；诖耍疚慕⒌蛪涵h(huán)境下真空管道高速列車空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算的流體模型、數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)不同管道壓力(1×103～1×104Pa)、不同阻塞比(0.2～0.7)和不同列車速度(600～1000km/h)下的真空管道高速列車空氣動(dòng)力學(xué)特性開展分析，研究管道壓力、阻塞比和列車速度對(duì)真空管道高速列車的氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)阻力的影響。并以明線上運(yùn)行速度為400km/h的高速列車氣動(dòng)阻力為限值，建立了真空管道高速交通系統(tǒng)最高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件下的臨界管道壓力、阻塞比和列車速度的計(jì)算公式，給出最正確的管道壓力、阻塞比和列車速度關(guān)系。

圖5不同阻塞比和列車速度下的臨界管道壓力

由于真空管道高速列車氣動(dòng)阻力與管道壓力成線性關(guān)系，因此固定列車速度和阻塞比時(shí)，可以由式(11)確定出管道壓力的臨界值。圖5給出了真空管道高速列車在不同列車速度和阻塞比組合下的臨界管道壓力。由圖5可以看出，當(dāng)列車速度固定時(shí)，臨界管道壓力隨阻塞比的增加而減小。隨著列車速度的增加，阻塞比對(duì)臨界管道壓力的影響減弱。當(dāng)車速為600km/h，阻塞比由0.2增加到0.7時(shí)，臨界管道壓力由9.5×103Pa降低到3.4×103Pa，降低了64.2%;而當(dāng)列車速度為1000km/h，阻塞比由0.2增加到0.7時(shí)，臨界管道壓力由2.3×103Pa降低到1.2×103Pa，降低了46.7%。

此外，由圖5還可以看出，當(dāng)阻塞比固定時(shí)，臨界管道壓力隨列車速度的增加而減小。隨著阻塞比的增加，列車速度對(duì)臨界管道壓力的影響減弱。當(dāng)阻塞比為0.2，列車速度由600km/h增加到900km/h時(shí)，臨界管道壓力由9.5×103Pa降低到2.3×103Pa，降低了75.4%;而當(dāng)阻塞比為0.7，列車速度由600km/h增加到900km/h時(shí)，臨界管道壓力由3.4×103Pa降低到1.2×103Pa，降低了63.4%。理想的真空管道高速交通系統(tǒng)應(yīng)具有盡可能小的氣動(dòng)阻力和盡可能高的運(yùn)行速度，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)盡可能地降低真空管道的管道壓力，使其接近于真空狀態(tài)，并需要盡可能地減小阻塞比。但對(duì)于實(shí)際的真空管道高速交通系統(tǒng)，受建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本的限制，管道壓力和阻塞比不能無限地減小。因此，在開展管道壓力和阻塞比的最優(yōu)設(shè)計(jì)時(shí)，還需要進(jìn)一步考慮經(jīng)濟(jì)成本的影響。4、結(jié)論

本文較為系統(tǒng)地研究了真空管道高速交通系統(tǒng)的管道壓力、列車速度和阻塞比對(duì)高速列車氣動(dòng)阻力的影響特性和最正確管道壓力、列車速度和阻塞比確實(shí)定，主要有如下結(jié)論：

(1)低壓(1×103～1×104Pa)環(huán)境下，真空管道中的氣體流動(dòng)可以采用連續(xù)介質(zhì)模型描述。

(2)低壓(1×103～1×104Pa)環(huán)境下，高速列車的氣