基于馬赫數(shù)的真空管道交通系統(tǒng)溫度場特性初探

賈文廣

[摘要]根據(jù)真空管道交通物理模型，建立基于粘性流體的Navier-Stokes方程和k-ε雙方程湍流方程的二維數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬不同馬赫數(shù)下的真空管道系統(tǒng)內(nèi)部溫度場，并分析其生熱機(jī)理與傳熱特性。結(jié)果表明：在真空管道交通系統(tǒng)中，隨馬赫數(shù)增大，系統(tǒng)最高溫度呈拋物線趨勢遞增在管內(nèi)壓力和阻塞比一定的情況下，系統(tǒng)內(nèi)車尾頂部溫度達(dá)到最大，隨后溫度逐漸降低。

[關(guān)鍵詞]真空管道交通；馬赫數(shù)；氣動生熱

[中圖分類號]U491.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0022-01

現(xiàn)今，在經(jīng)濟(jì)全球化和跨區(qū)域合作日趨密切的社會背景下，人員來往日趨頻繁，對交通工具的要求也越來越高。列車和飛機(jī)是中長途旅客最常選用的交通工具，但二者各有自身無法突破的發(fā)展瓶頸。前者作為地面交通工具，其運(yùn)營速度受到了空氣阻力的嚴(yán)重制約，研究表明，當(dāng)列車速度為300km/h時，運(yùn)行時受到的氣動阻力占總阻力的80%以上，因此，盡管近年來我國高鐵建設(shè)取得了長足的進(jìn)步，但未來可提升的空間已十分有限；飛機(jī)在介質(zhì)稀薄的高空運(yùn)行，可以在低阻力狀態(tài)下保持高速，然而天氣及運(yùn)載能力限制了飛機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，人們一直在尋找一種能夠適應(yīng)時代發(fā)展要求的交通工具，真空管道交通系統(tǒng)（Evacuated TubeTransportation，ETT）就是這樣一種滿足旅客出行需要的安全高速新型交通工具。

1 真空管道交通系統(tǒng)

真空管道交通系統(tǒng)這一設(shè)想最早由現(xiàn)代火箭之父Robert Goddard于1904年提出，目前，國際上得到普遍認(rèn)可的真空管道交通系統(tǒng)有兩種形式，分別是美國的ETT和瑞士的Swissmetro。我國對真空管道交通的研究始于2004年由沈志云院士、鐘山院士聯(lián)合發(fā)起的“真空管道高速交通院士學(xué)術(shù)報告會”，其真空管道交通系統(tǒng)的科學(xué)性、現(xiàn)實(shí)性、發(fā)展前景及重大意義得到了院士們的一致認(rèn)可。

列車在真空管道交通系統(tǒng)內(nèi)高速行駛時，管道內(nèi)介質(zhì)因列車高速推進(jìn)被壓縮，在管道空間的束縛下，介質(zhì)無法像在敞開的大氣環(huán)境中及時、順暢地外掠車體表面流線后逃逸，只能在管道與列車的環(huán)狀空間中碰撞、壓縮，在這一復(fù)雜過程中，介質(zhì)借壓縮正壓力與管道內(nèi)壁面和列車外表面產(chǎn)生劇烈摩擦、生熱、傳熱，產(chǎn)生一系列的空氣熱、動力學(xué)現(xiàn)象。這些現(xiàn)象引起的空氣熱、動力學(xué)問題決定著真空管道交通系統(tǒng)能否安全、高速、高效運(yùn)營，而現(xiàn)有的研究工作主要針對真空管道交通系統(tǒng)內(nèi)壓力場的分布及特性，并未涉及氣動熱產(chǎn)生的機(jī)理和規(guī)。

2 真空管道交通系統(tǒng)三維模型

在真空管道內(nèi)運(yùn)行時引起的車體周圍空氣流動狀態(tài)十分復(fù)雜，流場Re>105，故認(rèn)為該流場為湍流流動。本文計(jì)算時采用雙方程湍流模型模擬這一湍流流場。一般來說，當(dāng)馬赫數(shù)小于0.3時，應(yīng)當(dāng)按照不可壓縮流動處理，當(dāng)馬赫數(shù)大于0.3時，應(yīng)按可壓縮流動處理。本文中列車車速高于0.3馬赫數(shù)，介質(zhì)應(yīng)視為可壓縮流體。此外，假設(shè)列車為光滑外形的幾何體，忽略了如受電弓、轉(zhuǎn)向架等列車外部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。幾何模型如圖1所示，列車車長40m，高3m，車頭車尾長4m，車頭、車尾均采用相同的單拱流線外形。馬赫數(shù)分別取0.3、0.45、0.6。圖1所示為管道內(nèi)經(jīng)為7m，阻塞比為0.18時的模型圖。

3 系統(tǒng)內(nèi)最高流速與阻塞比

可以計(jì)算結(jié)果看出，系統(tǒng)內(nèi)部氣動熱場的分布形式基本相同，車頭溫度較低，自車頭位置向后溫度逐漸增大。系統(tǒng)內(nèi)的熱量大部分由動能所轉(zhuǎn)化，這部分造成積聚效應(yīng)使更多的氣動熱流向車體后方，至車尾頂部溫度達(dá)到最大，隨后溫度逐漸降低。在管內(nèi)壓力和阻塞比一定的情況下，系統(tǒng)最高溫度隨列車速度增大呈拋物線趨勢遞增，如圖2所示。管內(nèi)壓力和阻塞比一定時，系統(tǒng)馬赫數(shù)低時，通過列車與管道環(huán)隙氣流速度較小，摩擦阻力相對較小，同樣車頭車尾間的壓差阻力也較小，由此保持這一速度運(yùn)行所消耗的能量也相對較小，從而系統(tǒng)內(nèi)部最高溫度變化不大；當(dāng)馬赫數(shù)逐漸增大，沿列車流線通過列車與管道環(huán)隙的氣流速度增大，摩擦阻力增大，不僅導(dǎo)致氣流的碰撞混合加劇，而且會使更多地氣流隨列車車頭流線方向慣性撞擊管道內(nèi)壁，撞擊在改變氣流方向的同時，還使氣流攜帶的大部分動能直接轉(zhuǎn)化為熱量，增加了整個系統(tǒng)的溫度。另一方面，車頭高壓區(qū)進(jìn)一步壓縮，壓力急劇增大，車尾處由于環(huán)隙氣流流速的增大產(chǎn)生的渦街效應(yīng)也逐漸加強(qiáng)，壓差阻力不斷增大，由此保持這一速度運(yùn)行所消耗的能量也大幅增大，從而系統(tǒng)內(nèi)部最高溫度急劇升高。

4 結(jié)論

通過以上探討分析，在真空管道交通系統(tǒng)中，隨著馬赫數(shù)的增大，系統(tǒng)最高溫度隨列車速度增大呈拋物線趨勢遞增。當(dāng)系統(tǒng)馬赫數(shù)較小時，系統(tǒng)溫差不明顯，隨著馬赫數(shù)增大，壓力急劇增大，車尾處由于環(huán)隙氣流流速的增大產(chǎn)生的渦街效應(yīng)也逐漸加強(qiáng)，壓差阻力不斷增大，由此保持這一速度運(yùn)行所消耗的能量也大幅增大，從而系統(tǒng)內(nèi)部最高溫度急劇升高

參考文獻(xiàn)

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