基于马赫数的真空管道交通系统温度场特性初探

贾文广

[摘要]根据真空管道交通物理模型，建立基于粘性流体的Navier-Stokes方程和k-ε双方程湍流方程的二维数学模型，数值模拟不同马赫数下的真空管道系统内部温度场，并分析其生热机理与传热特性。结果表明：在真空管道交通系统中，随马赫数增大，系统最高温度呈抛物线趋势递增在管内压力和阻塞比一定的情况下，系统内车尾顶部温度达到最大，随后温度逐渐降低。

[关键词]真空管道交通；马赫数；气动生热

[中图分类号]U491.2 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0022-01

现今，在经济全球化和跨区域合作日趋密切的社会背景下，人员来往日趋频繁，对交通工具的要求也越来越高。列车和飞机是中长途旅客最常选用的交通工具，但二者各有自身无法突破的发展瓶颈。前者作为地面交通工具，其运营速度受到了空气阻力的严重制约，研究表明，当列车速度为300km/h时，运行时受到的气动阻力占总阻力的80%以上，因此，尽管近年来我国高铁建设取得了长足的进步，但未来可提升的空间已十分有限；飞机在介质稀薄的高空运行，可以在低阻力状态下保持高速，然而天气及运载能力限制了飞机的进一步发展。因此，人们一直在寻找一种能够适应时代发展要求的交通工具，真空管道交通系统（Evacuated TubeTransportation，ETT）就是这样一种满足旅客出行需要的安全高速新型交通工具。

1 真空管道交通系统

真空管道交通系统这一设想最早由现代火箭之父Robert Goddard于1904年提出，目前，国际上得到普遍认可的真空管道交通系统有两种形式，分别是美国的ETT和瑞士的Swissmetro。我国对真空管道交通的研究始于2004年由沈志云院士、钟山院士联合发起的“真空管道高速交通院士学术报告会”，其真空管道交通系统的科学性、现实性、发展前景及重大意义得到了院士们的一致认可。

列车在真空管道交通系统内高速行驶时，管道内介质因列车高速推进被压缩，在管道空间的束缚下，介质无法像在敞开的大气环境中及时、顺畅地外掠车体表面流线后逃逸，只能在管道与列车的环状空间中碰撞、压缩，在这一复杂过程中，介质借压缩正压力与管道内壁面和列车外表面产生剧烈摩擦、生热、传热，产生一系列的空气热、动力学现象。这些现象引起的空气热、动力学问题决定着真空管道交通系统能否安全、高速、高效运营，而现有的研究工作主要针对真空管道交通系统内压力场的分布及特性，并未涉及气动热产生的机理和规。

2 真空管道交通系统三维模型

在真空管道内运行时引起的车体周围空气流动状态十分复杂，流场Re>105，故认为该流场为湍流流动。本文计算时采用双方程湍流模型模拟这一湍流流场。一般来说，当马赫数小于0.3时，应当按照不可压缩流动处理，当马赫数大于0.3时，应按可压缩流动处理。本文中列车车速高于0.3马赫数，介质应视为可压缩流体。此外，假设列车为光滑外形的几何体，忽略了如受电弓、转向架等列车外部复杂的结构。几何模型如图1所示，列车车长40m，高3m，车头车尾长4m，车头、车尾均采用相同的单拱流线外形。马赫数分别取0.3、0.45、0.6。图1所示为管道内经为7m，阻塞比为0.18时的模型图。

3 系统内最高流速与阻塞比

可以计算结果看出，系统内部气动热场的分布形式基本相同，车头温度较低，自车头位置向后温度逐渐增大。系统内的热量大部分由动能所转化，这部分造成积聚效应使更多的气动热流向车体后方，至车尾顶部温度达到最大，随后温度逐渐降低。在管内压力和阻塞比一定的情况下，系统最高温度随列车速度增大呈抛物线趋势递增，如图2所示。管内压力和阻塞比一定时，系统马赫数低时，通过列车与管道环隙气流速度较小，摩擦阻力相对较小，同样车头车尾间的压差阻力也较小，由此保持这一速度运行所消耗的能量也相对较小，从而系统内部最高温度变化不大；当马赫数逐渐增大，沿列车流线通过列车与管道环隙的气流速度增大，摩擦阻力增大，不仅导致气流的碰撞混合加剧，而且会使更多地气流随列车车头流线方向惯性撞击管道内壁，撞击在改变气流方向的同时，还使气流携带的大部分动能直接转化为热量，增加了整个系统的温度。另一方面，车头高压区进一步压缩，压力急剧增大，车尾处由于环隙气流流速的增大产生的涡街效应也逐渐加强，压差阻力不断增大，由此保持这一速度运行所消耗的能量也大幅增大，从而系统内部最高温度急剧升高。

4 结论

通过以上探讨分析，在真空管道交通系统中，随着马赫数的增大，系统最高温度随列车速度增大呈抛物线趋势递增。当系统马赫数较小时，系统温差不明显，随着马赫数增大，压力急剧增大，车尾处由于环隙气流流速的增大产生的涡街效应也逐渐加强，压差阻力不断增大，由此保持这一速度运行所消耗的能量也大幅增大，从而系统内部最高温度急剧升高

参考文献

[1]Daryl Oster.Evacuated Tube Transport：America，5950543[P]，19999-14.

[2]沈志云，关于我国发展真空管道高速交通的思考[J]西南交通大学学报，2005，24（2）：133-137

[3]周晓，张耀平，姚应峰，真空管道交通中高速列车空气阻力数值仿真[J]，科学技术与工程，2008，8（6）