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不同流线型设计的真空管磁悬浮列车的气动模拟

摘要：基于不可压缩粘性流体的Navier-Stokes（NS）方程和标准k湍流模型，以稳态和二维条件为假设条件，用ANSYS / FLOTRAN软件根据不同的真空度，阻塞比和火车头部和尾部的形状对真空管内磁悬浮列车进行了空气阻力的模拟。对真空管式磁浮列车在不同真空度下的压力流场进行分析，并在相同阻塞比条件下进行比较。结果表明，管内1000 Pa的环境压力最能达到空气阻力减小的效果，不同流线型头型之间的空气阻力减小效果没有明显差异。总体而言，在管压为1000 Pa时，钝形尾部和0.25的阻塞比对于列车的减阻更有效。

关键词：空气动力学阻力；疏散管磁悬浮列车；阻塞比；火车头和车尾

1．介绍

即将出现的能源短缺和快速出行的需要给21世纪的传统运输如航运，铁路，水路和公路运输带来许多困难[1]。为了解决这些问题，Oster [2-3]提出了真空管输送（ETT）的概念。ETT具有高速，低空气阻力，低噪音，安全，能耗低等诸多优点[4-6]，并且他提出了ETT关键真空技术的一些解决方案[7]。

空气动力学问题是应用真空管磁浮列车（ETMT）的关键问题，因此应该进行深入研究[8]。近年来，空气阻力模拟是在速度为200m/s和管压力高于1000 Pa的ETT列车上进行尝试的[9-10]，并在速度范围为50〜300 m/s，管道压力为10〜10000 Pa的亚音速ETT列车上空气动力阻力数值模拟进行了其他尝试 [11]。 Kwon等人 [12]得出结论，空气动力学方面必须在列车头部优化设计，这是当前对微压力波方面设计的一种改进[13]。人们已经对传统的高速列车[14-16]，地铁列车[17]和磁悬浮列车[1819]进行了列车头部或尾部的简化设计和相关研究。然而，关于ETMT的头部和尾部优化的研究很少。

本文基于粘性流体力学理论和二维不可压粘性流动模型，利用ANSYS/FLOTRAN软件对真空管内速度为300 m/s的磁悬浮列车外流场进行了数值模拟。通过考虑不同的真空环境，三种头型和五种尾巴类型的0.11,0.14,0.18,0.25和0.36阻塞比，我们研究了空气阻力与头尾形状、阻塞比之间的关系。所得的结果可能为未来的ETMT应用提供有用的参考。

2.数值模型

2.1.基本假设

（1）假设ETMT以300 m/s的速度运行，马赫数为0.88。当流场的雷诺数大于105时，流场被认为是湍流，并且使用k-ε方程湍流模型来模拟流场。

（2）大多数模型的管压力假定为1000 Pa。考虑到计算时间，收敛难易程度和计算机性能，我们假设气体是不可压缩的。

（3）本文的模拟是在两个维度上进行的。选择磁悬浮列车的最大纵剖面作为计算平面，假定整个磁悬浮列车的连接平稳。

（4）由于假定磁阻可忽略不计，因此只考虑空气阻力。根据空气阻力公式F =Delta;PS，考虑到磁悬浮列车最大横截面面积S，空气阻力F与ETMT的头尾压力差Delta;P之间的关系是线性的关系。在整篇文章中，压力差Delta;P表示列车车体纵向范围内从头到尾的最大和最小压力值之间的差值。

2.2.数学模型

采用二维粘性稳态不可压缩湍流场的标准k湍流模型模拟ETMT的流场。 流场数学模型的控制方程如下[20]：

连续性方程:

动量守恒方程：

动能方程：

动能耗散率方程：

其中U为流场速度矢量，单位为，u和v分别为U的x和y分量；p是流场的压力，单位为Pa；是空气密度，单位为；为层流粘度系数，单位为; k是湍流动能，单位为；是湍流的耗散率，单位为；并且，参数由下式给出：其中，，，，

2.3.磁悬浮列车纵向剖面模型

在这项研究中，为ETMT设计了不同的纵向剖面，包括三种类型的火车头和五种类型的尾翼，如图1和图2所示。ETMT舱的基本参数设置为长35米，高度3米。后部和前部的长度将随设计风格而变化。例如，如图3所示，整个列车的长度为41米，它有一个半圆形尾部和一个半径为3米的头部。尾部的不同流线型设计也会导致列车长度发生变化（图2）。

2.4.模拟场景

我们为三种情况进行了模拟。首先是分析不同真空条件下压力对ETMT的影响。第二种是分析ETMT的三种类型的头在不同阻塞比下的运行情况（图1）。第三个是分析ETMT的五种类型的尾巴在特定阻塞比下的运行情况（图2）。此外，根据计算结果比较钝形尾部和半圆形尾部在不同阻塞比的情况下的压力差。对于第二种和第三种情况，管压设定为1000 Pa，ETMT速度为300 m/s。使用ANSYS/FLOTRAN软件，根据方程式模拟流场压力场。（1）〜（5）得到不同头部和尾部组合的ETMT，并生成各种情况下ETMT的云图。

2.5.计算域

对于0.11,0.14,0.18,0.25和0.36的阻塞比，管直径分别设定为9,8,7,6和5m。其中一个计算域模型如图4中的例子所示。在图4中，整个管长度为160m，管直径（在本例中为6m）被设定为流场的垂直高度。ETMT室的总长度为35m，从火车室后边界到真空管入口的距离为47m，从火车室前边界到管道出口的距离为78米。

2.6．计算网格

随着磁悬浮列车的移动，用移动网格来处理计算域的不断变化。整个流场区域被分成不同的子区域并分离网格。各种分析模型表面的网格具有高密度以确保边界层计算的准确性。然而，远离ETMT体的部分网格并未压缩以减少计算强度并加速收敛。对于图4所示的情况，图5给出了一个二维网格模型。

3．结果与讨论

ETMT表面上的压力云图的点依次从尾部到顶部，然后到头部，我们获得了压力曲线，如图1和图2所示。 图6,7和13。图8至图12说明了ETMT在五种类型尾部（图2）下的压力云图，在特定的阻塞比下运行。

3.1．不同真空下的压力差

图6显示了具有半圆尾和直线头的列车在不同真空下的压力差（图4）。 我们可以看到，当真空压力低于1000Pa时，减阻对磁浮列车的影响可以忽略不计。随着真空压力从1000增加到10000Pa，减阻效果缓慢增加，然后在超过10000Pa时迅速增加。因此，1000Pa的真空压力对于ETT操作来说似乎是最好的。

3.2.不同列车头的压差曲线

图7显示了不同压头（图1）的ETMT在0.11,0.14,0.18,0.25和0.36阻塞比下的最大压力差曲线。

根据图7，所有头部类型的压差随阻塞比增加而增加。此外，随着阻塞比的增大，阻塞比小于0.18时压差缓慢增加，然后超过0.18的阻塞比时压差急剧增大。同时，我们也注意到线性头部的压力差在三种头部类型中是最小的，尽管它们的区别是微妙的。

因此，直线头的减阻效果是最好的，应该在ETMT的未来应用中考虑。另外，在1000Pa的管压下，0.25的堵塞比效率更高。

3.3.不同尾部的压力场

根据上述结果，我们选择直线头和阻塞比0.25（管径6 m）来检查不同尾部对压力差的影响，而其他参数保持不变。计算结果如图8至图12所示。

根据图1和2所示的压力云图。如图8至12所示，不同尾部的压力分布是相似的。火车头表面可以观察到高压区域，每个图中最高压力点用MX标记。压力沿着磁悬浮列车的纵向逐渐减小，甚至变为负值。我们还发现，在五种类型的尾巴中，具有钝尾的列车在其头部具有最大压力（2 565 Pa），而具有1：1底高比三角尾巴的车头压力具有最小值（1144Pa）。这意味着头部的压力值受尾部形状的影响。

图13显示了带有钝头尾部和半圆尾部的直线头部列车的头部和尾部之间的最大压力差随阻塞比变化的曲线。表1列出了不同尾部列车的压差Delta;P。可以看出，在阻塞比为0.25的情况下，具有钝形尾部的磁浮列车的压差明显低于其他列车。然而，在0.36的阻塞比下，如图13所示，具有钝形尾部的列车的压差Delta;P大于半圆尾部的压差Delta;P。这反映了阻塞比也是影响压差值的重要因素。

4.结论

（1）真空压力对ETMT的运行阻力起着关键作用。随着真空压力的增加，当压力小于1000Pa时，减阻效果增加非常缓慢，但当压力超过10000Pa时，减阻效果迅速增加。

（2）不同流线型设计的头部在真空管内运行的磁悬浮列车的空气动力学阻力效应中不会引起明显的差异，但可以认为线性磁头设计是减少ETMT未来气动阻力的可能方向之一。

（3）尾部形状对列车周围的流场产生影响，导致列车头部受到压力，从而导致头部和尾部之间的压差发生变化，这种影响也受到阻塞比的影响。

致谢

这项工作得到了长江学者和中国教育部高校创新团队（PCSIRT）（IRT0751），国家高技术研究发展计划（863计划：2007AA03Z203），国家自然科学基金项目 中国科学基金（批准号50588201和50872116），中国高等教育研究计划资助项目（SRFDP200806130023）和中央高校基础研究基金（SWJTU09BR152，SWJTU09ZT24，SWJTU11CX073）。

真空管道运输中要解决的关键真空技术问题

摘要：真空管道运输（ETT）将成为超大规模真空应用领域之一。本文列举了ETT中的一些关键真空技术问题：（1）如何构建成本更低，可靠性更高的超大型真空室；（2）如何在短时间内将气体排出ETT管；（3）如何释放热量或降低真空管中的温度；（4）如何避免真空泄露；（5）如何制造具有密封外壳和生命支持系统的车辆；以及（6）如何有效检测泄漏和发现泄漏位置。同时，提出了一些解决方案。

关键词：真空技术; 疏散管运输; 真空管;磁悬浮

1.介绍

与发达的互联网或IT技术相比，目前的交通状况似乎不景气。人们期待着一种更快，更清洁，更环保的交通方式。高速铁路的时速为350公里/小时[1]，上海磁悬浮列车在中国的运行速度为430公里/小时[2]，日本山梨磁悬浮列车的速度达到581公里/小时[3]]。然而，与真空管道运输（ETT）相比，它们并不是理想的速度，并且这些列车产生高空气动力噪音和阻力。将火车与疏散管道运输相结合，即将磁悬浮列入ETT的真空管道将是正确的方向。磁悬浮列车可以以600-1000公里/小时的速度运行，并且可以以超音速运行，例如6000公里/小时甚至超过10000公里/小时[4]。

然而，就作者所知，只有少数ETT的研究[5-6]。为了在真空管中操作磁悬浮，需要研究和解决一系列真空技术问题。本文列举并讨论了ETT中要解决的一些关键真空技术问题。

2.构建超大型真空室

ETT真空室是一个内径约2-5米，长度1000-15000公里的圆形管。对于如此大的真空室，必须认真考虑建设成本。我们应该选择可行的建筑材料和设计结构。 首先应该考虑如何构建一个成本更低，可靠性更高的超大规模真空室。 普通的钢和水泥是廉价的建筑材料，它们也适用于制造真空管。对于钢和水泥，本文提出了三种真空管结构。

2.1.纯钢管

纯钢管的优点是容易保证密封性，成本适中。目前中国市场钢材价格约为每吨5000元人民币。为了估算真空管的成本，我们假定管的壁厚分别为20mm，18mm，16mm和14mm，对于内径分别为5m，4m，3m和2m的管。然后每公里钢管的基本材料成本如表1所示。

2.2.钢和混凝土的复合结构管

为了进一步降低材料成本和增加真空管的强度，可以采用复合结构管。如图2所示，复合结构管由薄壁内钢管和外混凝土层组成。

在这种情况下，钢管内壁的厚度应小于10毫米，甚至3毫米。尽管管壁的总厚度可能会增加，但是由于混凝土的价格远低于钢的价格，所以可以降低总材料成本。另外，抗压强度会增加，这对于真空管非常重要。

也可以考虑在混凝土管外架设钢密封层[7]。 在这种情况下，其优点是钢层在被大气压力压缩时不可能粘在混凝土管上。缺点是钢层容易损坏或腐蚀。

2.3.有钢肋的混凝土管

如果可以获得某些价格低廉的薄膜或密封材料，则可以使用具有钢肋的混凝土管。

3.从ETT管中抽出气体

如何在短时间内有效地从ETT管中排出气体是ETT系统的另一个关键问题。对于超大规模的真空室，从其中排出气体的时间将很短，例如在1-2小时内从主干管中排出气体，并在几分钟内从气闸中排出气体。因此，每隔1至2公里就必须安装真空泵，真空泵或泵组的抽速应足够大。

沿着ETT线，每隔5-10公里应设置一个密封隔离门，如图3所示。隔离门的一项功能是有效地从管中排出气体。在所有隔离门关闭之后，气体从每个真空管部分排出。当各部分的大气压力达到规定值时，所有真空泵停止工作，所有隔离门打开。然后磁悬浮可以通过。因为整个管难以检查密封和泄漏，隔离门的另一个功能是便于检查ETT管每个部分的密封性和泄漏性。

在当前的真空泵中，罗茨泵适用于从ETT管中排出气体。罗茨泵抽速高，结构简单，价格低廉。罗茨真空泵的最大抽速大于12000 L/s。

4.释放真空管中的热量或降低温度

在ETT管中，有这些热量来源导致温升：

（1）操作驱动磁悬浮的直线电机等电气设备。

（2）磁悬浮在真空管中高速运行时的空气阻力产生的热。管内还有一点气体，因为它内部会产生摩擦。

（3）磁悬浮车辆释放的热量。

（4）将ETT管放置在地面时，通过管壁的太阳辐射热。

由于ETT管内没有空气对流，真空环境作为隔热介质，ETT管内的热量会积聚，温度会不断上升。因此，我们应该找到释放热量的方法。

（1）我们应该选择管壁结构和便于释放热量的材料。从这个意义上说，钢管

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