真空管道交通系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、真空管道交通系統(tǒng)兼有列車載荷大和飛機(jī)速度快的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)更高經(jīng)濟(jì)速度的唯一可行方案。列車在狹長(zhǎng)的封閉管道空間內(nèi)行駛，追求更高經(jīng)濟(jì)速度的過(guò)程中，系統(tǒng)的空氣熱動(dòng)力學(xué)問(wèn)題越來(lái)越不容忽視。
　　本文采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，從阻塞比、列車速度和系統(tǒng)壓力這三個(gè)重要參數(shù)入手，綜合考慮系統(tǒng)的熱壓耦合作用，建立在熱壓耦合作用下的高速直線運(yùn)動(dòng)物體的物理模型和數(shù)學(xué)模型，利用包含移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的計(jì)算流體熱動(dòng)力學(xué)方法，出于對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)，旅客

2、舒適度、運(yùn)行效率、建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本等諸多因素的考慮，對(duì)真空管道交通系統(tǒng)的空氣熱動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了研究，為真空管道交通系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)。本文主要工作包括:
　　1.以流體力學(xué)和傳熱學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立了三維可壓縮、粘性、不等熵非穩(wěn)態(tài)模型。應(yīng)用有限體積法，對(duì)真空管道內(nèi)運(yùn)行的高速列車進(jìn)行了三維空氣熱動(dòng)力學(xué)分析。本文詳細(xì)分析了不同阻塞比(0.23、0.32、0.46、0.57)、不同系統(tǒng)壓力(1atm、0.8atm、0.5a

3、tm、O.1atm)、不同列車速度（150m/s、200m/s、300m/s、360m/s、400m/s）下，系統(tǒng)內(nèi)三維流場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)，并探究了其形成機(jī)理。計(jì)算了車頭車尾的壓差阻力，分析了列車克服阻力高速運(yùn)行時(shí)的熱積聚現(xiàn)象，得到了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)。
　　結(jié)果表明:相對(duì)列車速度和系統(tǒng)壓力，列車前后壓差和溫度場(chǎng)的變化受阻塞比影響最大，其數(shù)值隨阻塞比的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)，與列車運(yùn)行速度的二次方成正比，與系統(tǒng)壓力保持線性關(guān)系。計(jì)算結(jié)果

4、還表明:系統(tǒng)內(nèi)溫度場(chǎng)變化在開(kāi)始運(yùn)行后的前1000s內(nèi)變化較為活躍，隨后會(huì)趨于平緩。因此，隨著列車持續(xù)運(yùn)行時(shí)間的有限增加，列車表面最高溫度將會(huì)逐漸接近于某一溫度值。
　　2.在超音速狀態(tài)下，運(yùn)用傳熱學(xué)和流體力學(xué)的基本理論，考慮到薄激波層的形成機(jī)理和特點(diǎn)，根據(jù)可壓縮流動(dòng)的Crocco理論，從熵層的角度出發(fā)，沿列車軸線方向分析了真空管道交通系統(tǒng)的熱壓耦合場(chǎng)現(xiàn)象及特點(diǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熵值在車頭和車尾的鼻尖處最大，說(shuō)明此處能量分布最為均勻;在車

5、頭位置熵層沿氣流外掠車體流線形成的薄激波層環(huán)狀分布，隨著氣流向車身流動(dòng)，速度邊界層和溫度邊界層逐漸穩(wěn)定，車身附近的熵層轉(zhuǎn)而變成環(huán)車身輪廓分布;氣流運(yùn)行至車身后半段時(shí)，在車體下方區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)小范圍的低熵熵層;在后車肩截面處，車體周圍的熵層呈“帽”狀分布，這是因?yàn)闅饬髯叩搅松喜凯h(huán)隙空間的終點(diǎn)，所以開(kāi)始沿車尾流線擴(kuò)散，在擴(kuò)散過(guò)程中，形成了以車尾流線為輪廓的帽狀熵層，這部分熵層中的流速變化大，熱量傳遞快，因而原有的穩(wěn)定性被破壞，熵值較周圍降低

6、。
　　3.通過(guò)改變阻塞比和車速分析管內(nèi)熱邊界層效應(yīng)和流動(dòng)阻力特性。在管內(nèi)壓力和列車速度不變的情況下，增加阻塞比，列車相同截面處溫度邊界層厚度增加，車尾處軸線溫度變化相對(duì)平緩，車頭車尾溫差增大;在環(huán)隙中心前車肩比后車肩的溫度顯著增大，車身處也同樣如此，因此阻塞比的增大導(dǎo)致真空管道交通系統(tǒng)內(nèi)熱邊界層效應(yīng)增強(qiáng)。
　　在管內(nèi)壓力和阻塞比不變的情況下，只改變列車速度，系統(tǒng)各截面中心軸線溫度的變化曲線基本相同。車頭駐點(diǎn)處溫度最小，車尾

7、肩部溫度最大，熱邊界層內(nèi)的最高溫度隨著速度的增大顯著升高。在列車速度為200m/s時(shí)，車尾項(xiàng)部最高溫度為343K，隨著車速增大到360m/s，車尾頂部最高溫度上升到425K，車肩、車身周圍溫度也都呈現(xiàn)一定幅度的增加。觀察溫度沿不同軸線的變化情況可知，車尾處溫度變化相對(duì)平緩，車頭車尾溫差隨速度增大而增大;相比于車速較小時(shí)，在環(huán)隙中心前車肩比后車肩的溫度顯著增大，車身處也同樣如此，說(shuō)明速度的增大導(dǎo)致列車上、下邊界以及管道內(nèi)壁熱邊界層效應(yīng)增強(qiáng)