亚音速低真空管道列车气动理论与仿真研究

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亚音速真空管道磁浮列车作为未来地面高速交通的新型运输方式,研究管道内列车周围的流场特性和气动特性对管道设计、列车节能与运营安全具有重要的工程意义。基于一维等熵气体理论和进气道相似理论,建立亚音速低真空管道列车理想模型,研究管道内部流通状态,推导真空管道内部气流参数的求解公式。基于计算流体力学(Computuational Fluid Dynamics,CFD)理论,数值模拟了真空管道内部的流场特性和列车气动性能,对比研究了不同求解方法的差异,研究低真空管道列车气动性能与阻塞比、大气压以及列车运行速度之间的关系,分析了列车流线型头部长度在不同流通状态下对列车气动性能的影响。首先,基于一维等熵气体和进气道相似理论,阐明了管道内部气动壅塞现象,搭建了管道内部气流参数求解流程,求解不同流通状态下亚音速低真空管道列车管道内部气流参数(压力、密度和温度)。研究结果表明:当列车运行速度为亚音速时,运行速度与阻塞比对应关系超出Kantrowitz极限时,管道内会出现气动壅塞现象。当管道内部为非壅塞状态时,整个管道可分为3个流动区域:列车前方无扰动区域、列车周围低压区域和列车尾部无扰动区域。当管道内部为壅塞状态时,整个管道可分为7个流动区域:列车前方无扰动区域、列车前方壅塞高压区域、列车周围喉道区域、列车尾部激波前方区域、列尾部激波后方区域、列车膨胀波前方区域和管道后方无扰动区域。其次,建立亚音速低真空管道列车气动数值计算模型,分别采用稳态和瞬态数值计算方法研究了无粘气体和有粘气体对列车气动性能的影响,并与理论计算结果进行对比。研究结果表明:当管道内部处于非壅塞状态且内部气体视为有粘气体时,稳态计算和瞬态计算得到的列车气动性能基本一致,列车气动阻力误差较小,管道内部气流参数与理论计算值基本一致。当管道内部处于壅塞状态且气体视为有粘气体时,稳态计算得到的尾车气动阻力略大于瞬态计算结果,管道内部气流参数与理论计算值基本一致。然后,建立了600 km/h磁浮列车在真空管道内运行的气动数值计算模型,通过对比明线气动仿真计算结果和风洞试验数据,验证了数值计算方法的可行性。研究了低真空管道列车气动阻力与列车运行速度、阻塞比和大气压之间的关系,拟合得到了低真空管道列车气动阻力公式,以明线600 km/h气动阻力为参考基准值,确定了不同阻塞比和运行速度下管道内部临界大气压幅值。研究结果表明:当管道处于壅塞状态时,随着列车运行速度的增大,列车头车、中间车和整车气动阻力不断增大,尾车气动阻力呈现出先增大后减小的变化趋势。当列车运行速度和管内气压一定时,列车头车、中间车尾车气动阻力随阻塞比的增大而增大。当列车运行速度和阻塞比一定时,列车气动阻力与管道内部大气压呈正比关系。最后,建立不同流线型头部长度的低真空管道列车气动仿真计算模型,研究了4种典型状态下流线型头部长度对600 km/h列车气动特性的影响规律,4种典型运行状态分别为:600 km/h明线运行、非壅塞状态、壅塞且尾部激波附着状态和壅塞且尾部激波脱离状态。研究结果表明:当列车以速度600 km/h在明线运行时,随着头车流线型长度的增加,整车气动阻力和头尾车升力可以有效的降低。当处于非壅塞状态、壅塞状态下(尾部激波附着),整车气动阻力随流线型长度的增加而降低。当处于壅塞状态(激波脱离)时,随着头车流线型长度的增加,整车减阻效果不明显。
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