低真空條件下高速磁浮列車空氣阻力特性研究

中圖分類號：U271.91文獻標識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.061

文章編號：1673-4874（2025）01-0207-04

0 引言

速度是交通領域的永恒主題，當下全球高速鐵路飛速發展，各個國家的速度競賽愈演愈烈，有效地提升速度是當下全球各個國家面臨的共同難題。沈志云院士提出，當列車速度 h之后，空氣阻力將會占總阻力的 80% 以上。為此，真空管道技術應運而生，通過實現高速磁浮低阻力運行，可以大大提升列車運行速度并減少能耗。因此開展低真空環境下列車氣動特性的研究不僅關系到列車運行品質，更對我國高速磁浮未來發展的研究推進工作具有積極意義。

高速列車空氣動力學是研究列車周圍空氣在列車運動過程中的運動規律及其影響，以及研究通過設計和改變車體外形來減少阻力、降低列車運行能耗的手段。目前，對高速列車的空氣動力學問題開展研究的主要手段包括模型試驗、實車測量、數值計算等。

在數值計算方面，Kim等對氣壓、阻塞比和列車車速進行了研究，分析了其對列車氣動特性的影響。劉加利等基于三維可壓縮模型計算對氣動阻力系數開展了研究，得出結論為氣動阻力系數主要受阻塞比影響較大。黃尊地等5研究了列車車速、真空度、阻塞比和環境溫度對真空管道壓強的影響。張銀龍等探究了不同阻塞比對管道內氣動熱環境、列車氣動力以及流場結構的影響。這些研究為超高速真空管道交通系統的設計提供了重要的理論基礎和技術支持。

然而，針對低真空管道環境下高速磁浮列車空氣動力學模型的數值研究目前還是較少，因此有必要對低真空高速條件下列車氣動特性進行系統性研究。

1空氣阻力計算模型

基于列車空氣動力學，采用CFD的研究方法對高速磁浮列車在低真空條件下的氣動特性進行研究，需要建立合理的數學模型和計算模型，才能保證計算精度。本文主要對高速磁浮運動過程中車體周圍氣流本身的靜止和運動狀態，以及氣流和列車間有相對運動時的相互作用展開研究。

1.1流體流動模型

真空管道中的壓力越低，氣體的稀薄效應越突出。而氣體流動的稀薄程度用Knudsen數表示：

K n=λ/L

式中：

λ——分子平均自由程；

L ——流動特征長度。

氣體分子的平均自由程是分子兩次碰撞間運動路程的平均值。按照硬球模型考慮時，分子平均自由程用式（2）計算：

式中：

n——分子的數密度；

d——分子直徑。

根據壓力和溫度的關系：

式中：

——壓力；

T——溫度；

"——Boltzmann常數，

故有：

由式（4）可知，分子的平均自由程與環境溫度成正比、與壓力成反比。常溫標準大氣壓下，分子的平均自由程為 ，而本文計算的真空管道內壓力為101. ，故此時分子平均自由程為

高速磁浮列車的流動特征長度可按照列車的高度計算，對于典型的高速磁浮列車，其流動特征長度可取為3.7m 。由此可知，本文所考慮的Knudsen數最大值為：

當 K ngt;10 ，氣體流動屬于自由分子流領域；當 0.1lt; K nlt;10 ，氣體流動屬于過渡領域；當 0.01lt; Knlt;0.1，氣體流動屬于滑移領域;當Klt;0.01時，可根據連續介質模型來描述氣體流動。

故本文中真空管道內氣體流動可以按照連續介質模型考慮。

1.2流體控制方程

當高速磁浮列車在真空管道中運行時，管道內的空氣應考慮為可壓縮氣體，列車附近的流場按壓縮流場計算，湍流模型采用 標準模型，其控制方程為：

1.3 幾何模型

真空管道高速磁浮列車基于國內某高速磁懸浮，采用頭車 + 中間車 + 尾車的三車編組模式（圖1），并忽略了懸浮架在內的車體外部復雜細部結構。列車地板距離地面為 。列車基本參數如表1所示。

1.4網格驗證與計算模型

網格的生成一直以來是計算流體力學一個十分重要的領域，直接影響計算結果的最終精度和效率。為了在網格生成與后處理中與幾何模型保持緊密的聯系，采用ICEM-CFD軟件進行網格劃分。

為驗證網格精度對計算結果的影響，本文以不同尺寸劃分了5套網格對真空管道列車氣動特性分別進行計算。計算工況為速度 600k m/h ，阻塞比為0.4，壓力為大氣壓的 1% ，為1013.25 標準大氣壓），在此工況下，比較網格變化對頭車阻力的影響。由表2的計算結果可知：第1套網格的頭車阻力值較第2套大64N，較第3套大 同時在對第4套、第5套網格進行局部加密后，列車頭部阻力變化不大。由此可見，5套網格中第3套網格最滿足網格獨立性要求，本文以此展開仿真模擬。

1.5 計算條件

本文基于FLUENT軟件，采用有限體積法對真空管道高速磁浮列車的氣動特性進行數值模擬。列車在真空管道中高速運行，管道內的流場發生劇烈擾動壓縮。因此，數值模擬采用Navier-Stoke方程以及 兩方程湍流模型。

2不同大氣壓力下的列車氣動特性

列車在阻塞比為0.4、運行速度為 600km /h的工況下，管道壓力對列車氣動特性的影響見圖2。本文設置了五種不同壓力環境，分別為101.325 Pa（0.001 標準大氣壓）506.625Pa（0.005標準大氣壓）1013.25Pa （0.01標準大氣壓）、5066.25 Pa （0.05標準大氣壓）、 標準大氣壓）。

由圖2可知，各節車的阻力隨著運行環境壓力的上升而增大。其中，尾車阻力對壓力變化最為敏感，當壓力從101.325Pa增大到10 132.5Pa 時，阻力增加 gt;70000N其次為頭車，阻力增加了約24000N；中間車的阻力變化只有小幅度的增加。

磁浮列車的頭車升力向下，尾車升力向上，中間車升力較小，方向向上。隨著列車的壓力增加至1 時，各節列車的升力均有所增大，其中頭車和尾車的升力大幅度增加， gt;12000N。

磁浮列車的阻力的壓差阻力對壓力變化較為敏感，最大變化 gt;80000N，其是影響總阻力大小的首要因素。隨著壓力的變化，黏性阻力比較平緩。

從圖2可以看出，磁浮列車周圍壓力的變化對列車的氣動特性影響較大，主要表現在頭車尾車的壓差阻力和升力上：各節車的阻力、升力與環境壓力呈現線性關系。

3不同阻塞比下的列車氣動特性

阻塞比是列車橫截面面積與管道橫截面面積的比值，磁浮列車在不同截面大小的管道里運行，氣動特性差異較大。在管道壓力為 1013.25Pa（0.01 標準大氣壓）列車的運行速度為 600k m/h的工況下，磁浮列車的阻力、升力與阻塞比之間的關系見圖 3. 本文設置了列車在四種不同阻塞比運行的工況，阻塞比分別為0.2、0.3、0.4、0.5。

由圖3可知，隨著阻塞比的增大，磁浮列車周圍流場的擾動越來越劇烈，列車的阻力隨著阻塞比的增大而大幅增加。列車尾車的阻力增加最大，約7000N，其次是頭車，中間車變化不明顯。

頭車和中間車的升力變化不明顯，尾車的升力與阻塞比的關系呈現U字形，即尾車升力隨著阻塞比的增加先減小后增大。這是由于尾車升力主要是列車周圍的流場與其上部環境流場的氣壓差決定的，阻塞比在0.2左右時，尾車上部的環境流場與尾車壓差較大，隨著阻塞比減小，在阻塞比為0.3、0.4時，頂部管壁越來越靠近列車，尾車周圍的流場趨于均勻，所以升力減小。在阻塞比為0.5時，列車與管壁空隙較小，空隙間氣流流速較快，形成強烈的負壓區，造成列車升力急劇增加。不同阻塞比列車阻力由黏性阻力和壓差阻力兩部分組成。黏性阻力主要是列車運行時氣體的黏性所引起的，也稱為摩擦阻力。壓差阻力是由于運動物體的前后所形成的壓強差所形成的。從圖3（c）可以看出，列車總阻力隨著阻塞比的增大而增大。阻塞比的變化對黏性阻力的影響很小；壓差阻力隨著阻塞比的增加大幅增加。這是由于阻塞比的增加，管道內的氣流在高速列車擾動下，產生強烈的湍流運動。

4不同速度下的列車氣動特性

真空管道運輸系統為磁浮列車搭建了真空環境，避免了地面明線情況下稠密空氣對列車運行的阻礙，因此真空管道內磁浮列車的速度可得到大幅度提升。在環境壓力為1013.25 標準大氣壓）、阻塞比為0.4的工況下，列車的運行速度與氣動特性的關系見圖4。本文設置了列車4種不同速度下運行的工況，運行速度分別為 600k m/h.700k m/h.800k m/h.900k m/h。

由圖4（a）可知，隨著磁浮列車運行速度的提高，頭車的阻力增加最大，約為 4000N ：尾車阻力隨著列車運行速度的提高而增加，但是增加的速度在放緩，阻力變化約為4000N；中間車的阻力沒有較大變化。

由圖4（b）可知，隨著列車運行速度的提高，尾車的尾擺效應加劇，尾車的升力急劇增加，約為6300N；頭車的升力只有緩慢地上升；中間車的升力變化不明顯。

由圖4（c可知，隨著列車速度的提高，磁浮列車的氣動性能開始惡化，列車總阻力大幅度提高。速度的變化對黏性阻力影響不大；列車的壓差阻力隨著列車的速度增大而增大，在速度達到900km/h時，壓差阻力占總阻力的 90% 以上。

5結語

高速磁浮列車在真空管道中運行，不同環境壓力、阻塞比、運行速度對其氣動特性影響較大。磁浮列車的阻力與環境壓力呈現線性關系，列車的頭車和尾車阻力隨著壓力增大而增大。真空管道的截面大小對列車周圍流場流動產生較大影響，阻塞比的增加，即真空管道的截面面積減小，使列車阻力大幅增加，加劇了尾部氣流的不穩定性。隨著列車運行速度的提高，列車的阻力相應增加，其中頭車阻力、尾車升力增幅較大。

參考文獻

[1]王希理.側風下高速列車空氣動力學特性研究[D]成都：西南交通大學，2020

[2]Kim T K，Kim K H，Kwon H B.Aerodynamic Characteristics of a TubeTrain[J].Journal of Wind Engineering amp; Industrial Aerodynamics，2011，99（12）：1187-1196.

[3]劉加利，張繼業，張衛華.真空管道高速列車氣動特性分析J」.機械工程學報，2013，49（22）：137-143.

[4]劉加利，張繼業，張衛華.真空管道高速列車氣動阻力及系統參數設計[J].真空科學與技術學報，2014，34（1）：10-15

[5]黃尊地，常寧，楊鐵牛.低真空管道內側壁面壓強變化規律研究[J].真空科學與技術學報，2020，40（12）：1182－1190.

[6]張銀龍，王瀟飛，張琨，等.不同阻塞比下真空管道磁浮交通氣動熱特性[J].真空科學與技術學報，2022，42（5）：394-403.