摘要：真空管道磁悬浮列车运动与管道内流场相互作用,导致列车流场环境具有高度的非稳定性,同时列车悬浮运行的特性将使列车与管道内流场间存在严重的流固耦合效应。针对这一问题,提出了真空管道磁悬浮列车流固耦合动力学理论,并建立了可以实现列车在线实时交互数据的流固耦合数值计算模型,分析真空管道磁悬浮列车的车辆流固耦合特性。研究发现,列车悬浮运行列车尾部流场较为复杂,存在多道斜激波和反射波,随着列车的运行相对较为稳定,而列车顶部和头部的波系相对更加简单,但会随着列车运行发生明显的变化。列车受到的气动载荷呈低频周期性变化,悬浮刚度的减小会导致列车受到的气动载荷幅值增加,频率下降。在30 kN悬浮刚度下,列车的位移和转动幅值可以达到270 mm和14 mrad,并且随着时间推移,列车受到的气动载荷呈现振荡幅值还有增大的态势,影响列车运行安全。上述研究可以为真空管道磁悬浮列车的研究提供理论指导和分析方法参考。

摘要：低温超高真空管磁悬浮是当前世界各国争相发展的超高速交通方式之一。目前,该研究正处于起步阶段,有必要对其动力性能进行评估。以长沙至衡阳低真空管道磁悬浮试验线为例,建立低温超导电动悬浮制式的车辆-线路耦合模型,分析磁浮车辆通过该段线路时的动力性能。首先,计算得到以1 000 km/h速度运行时的车体垂向和横向加速度、悬浮力及导向力情况。在此基础上,绘制各动力性能指标的频数直方图,分析其在不同区间的分布情况,研究各动力性能指标随曲线半径的变化规律。研究结果表明,磁浮车辆通过长沙至衡阳线路时,计算得到的车体垂向和横向加速度均低于舒适性限值,动力性能满足要求;从车辆动力性能角度来看,缓和曲线长度设置为1 400 m合理;曲线半径20 000 m、车速1 000 km/h与横坡为16°相匹配,各项动力性能指标较优。研究结果可为超高速磁悬浮线路设计提供参考建议。

摘要：为了探究管道列车的尺度对波系、尾涡以及气动载荷的影响,基于CFD软件建立三种模型尺度(1∶1,1∶5和1∶10),同时考虑两种悬浮间隙关系(车轨相对间隙不变和绝对悬浮高度不变)的模型;采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)湍流模型和重叠网格技术模拟了列车在管道动态运动,并用风洞试验数据验证了数值方法和网格策略的合理性.研究结果表明:列车尺度(雷诺数)增大,车前活塞区域变长,尾流扰动区范围缩短;雷诺数对近尾流区的涡对演化影响较小,但在远尾流区,随着列车尺度减小,涡对脉动变强,涡对强度的差异导致了车后正激波形态的差异;列车表面最大正压值和最大负压值均随着列车尺度增大而增大,悬浮间隙对最大正压值影响较小,但与最大负压值成正相关关系;尺度效应从压差阻力和摩擦阻力两方面共同影响气动阻力,整车摩擦阻力和头、中间车的压差阻力与雷诺数正相关,但是尾车压差阻力受附着激波的强度影响恰恰相反;列车尺度和悬浮高度均对升力影响较大.相对于全尺寸模型,1∶10模型(悬浮高度20 mm)的最大正压值减小3.82%,最大负压值增大3.94%,整车总阻力增大8.64%,头车升力减小101.56%,尾车升力增大15.88%.

摘要：近年来,真空管道列车系统以其减阻降噪、高速运行的特点成为高速列车新的研究方向。真空管道列车运行环境复杂多变,对管道内部气动特性及流场结构的研究在真空管道列车的设计和优化中尤为重要。研究基于SST k-ω湍流模型及大涡模拟方法,采用三维数值模型对阻塞比为0.15的真空管道磁悬浮列车系统在马赫数为0.490~0.980的来流条件和0.3~0.1 atm的管道压力下进行稳态和非稳态模拟,得到列车周围外部流场的气动特性,详细阐述了列车尾流激波的形成和传播。根据不同来流马赫数和压力条件将流场分为3类典型工况,并沿流动方向将流场分为5个区域分析流场特性。结果表明,随着来流马赫数从0.490增加到0.654,尾车肩部开始出现激波。随着来流马赫数进一步增加至0.817,尾流区域出现斜激波、“X”型激波结构等复杂流动现象,不同来流马赫数条件下跨声速流场中的气流马赫数分布相似,压力系数呈现梯度分布。激波与尾涡、边界层相互干涉与融合,成为尾流流场的主要结构。研究成果可为真空管道列车不同来流速度和不同真空度情况尾流激波抑制以及气动阻力优化设计提供工程指导。

摘要：为了避免列车直接起动带来的非物理现象,通过自定义程序和重叠网格技术分别控制列车速度和运动,基于IDDES湍流模型研究高温超导磁浮列车在加速启动阶段和匀速阶段的管内波系形成过程和传播特性,揭示了不对称模型下的波系时空分布特征。结果表明:列车加速向前运动,车前会不断产生压缩波,这一系列压缩波形成一道正激波。在匀速运行阶段,车前空间流场呈现准一维分布特性。尾流区较为复杂,存在着激波、膨胀波、涡对以及它们间的相互作用等复杂流动现象。在考虑悬浮间隙下,尾流区域的波系分布呈现明显的上下不对称性。由于反向旋转涡对的存在,不同高度水平面的尾流流场结构差异较大。在匀速运行阶段,扰动区长度均随着运行时间线性增加。

摘要：真空管道内的温度分布直接影响管道内磁浮列车的气动性能及运行安全,研究大气环境对真空管道温度场的影响,对未来真空管道列车运输系统的建设具有重要意义。基于四川省成都市近5年(2017—2021)的气象数据,总结了各季节的太阳辐射强度、空气湿度、大气温度和风速等大气环境参数,建立了真空管道辐射传热数值计算方法,采用DO(Discrete Ordinate)辐射模型研究了太阳辐射对真空管道内气流温度的影响,得到了不同季节、不同真空度下管道内气流温度分布及变化规律。研究表明:在太阳辐射的影响下,真空管道内气流温度提升较大;在相同真空度下,管道内气流温度夏季最高、冬季最低;随着真空度逐渐降低,管道内气流温度逐渐升高,真空度为0.1 atm(约10.1 kPa)时,夏季管道内气流温度最大提升56.60 K。

摘要：真空管道磁浮交通的出现使得地面超高速轨道交通成为可能。真空管道磁浮研究受限于对大功率推进电机和真空环境的需求,难以取得相关试验数据。针对多态耦合轨道交通动模型试验平台永磁轨道和电机气动布局的前期设计,本文开展了相关数值模拟研究。基于动模型试验平台几何结构、电机平台和永磁轨道在管道内的实际布置形式,采用三维、可压缩的RANS方法和SST k–ω湍流模型,计算了超导磁浮列车在真空管道内超高速运行时的三维流场结构、激波反射和传播规律,对比分析了列车底部矩形槽道对列车气动载荷和管道内流场的影响,重点探究了列车底部压力和速度变化趋势、尾部激波强度和尾涡结构的差异。研究发现:轨道和电机平台的台阶使得尾流区产生了更多的流动分离和激波反射,导致尾部压力波动;列车底部流动间隙增大,列车尾部激波强度下降,激波现象更为明显,气动阻力系数减小8.855%,气动升力系数增大14.312%。

摘要：目前,高速铁路提速面临着轮轨粘着、空气阻力、气动噪声和横风失稳等挑战,将磁悬浮与封闭的低真空管道结合可以极大的突破地面轨道交通的速度极限。然而磁浮列车运行在管道内部,类似活塞运动,会使管道内部的流场更为复杂,气动热问题会更加显著。本文基于三维、定常、可压缩的雷诺平均Navier-Stokes方程和SST k-ω两方程湍流模型以及风洞模型中气流相对于列车运动的原理模拟了高速磁浮列车在管道中的运动。通过数值计算,探究了磁浮列车以1000 km/h速度运行在初始气压为0.1 atm的管道内,不同阻塞比对管道内气动热环境、列车气动力以及流场结构的影响。分析结果:随着阻塞比增加,总阻力增加,列车车身表面温升逐渐增大;在列车头部驻点处出现较高的温度,且头部的温度变化较大,列车尾部处于低温区,其表面的温度较低,列车表面的最低温度出现在尾部;在列车尾部出现了局部超音速区,产生较大的激波,该区域的气流温度会出现大幅降低,当气流通过激波后,温度又大幅上升。本文的分析结果可为真空管道磁浮交通在选取不同阻塞比时提供理论依据。

摘要：对真空管道高速列车气动阻力特性和系统参数设计方法进行了深入系统研究，建立低压环境下真空管道高速列车的空气动力学计算模型，研究管道压力、阻塞比和列车速度对列车气动阻力的影响。在此基础上，以明线上运行速度为400km／h的高速列车气动阻力为限值，确定出真空管道高速交通系统的最佳管道压力、阻塞比和列车速度关系。研究表明，在低压（1×103—1×104Pa）环境下，真空管道中的空气流动可以采用连续介质模型描述。高速列车的气动阻力系数基本上与管道压力和列车速度无关，主要依赖于阻塞比。高速列车的气动阻力随阻塞比的增加而增大，且与管道压力近似成线性关系，与列车速度近似成平方关系。本文同时给出了真空管道高速交通系统最高经济运行条件下的管道压力、阻塞比和列车速度的计算公式，并由此确定出最佳的管道压力、阻塞比和列车速度关系。

摘要：真空管道列车高速飞行时产生的激波簇对于车辆结构气动外形设计具有重要的指导作用。鉴于真空管道超级列车现有试验设备及方法的局限性,根据可压缩N-S方程和SST k-w湍流模型,基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)流体分析软件,结合动网格和动态自适应网格两种方法,对超级列车在高真空度管道中高速运动时产生的流场结构进行数值仿真,主要研究列车以1 250 km/h的速度在阻塞比为0.2、环境压力为10.132 5 Pa(0.000 1 atm)的管道中飞行时所产生的一系列激波簇结构及管内流场变化规律。研究结果表明,管内列车在管内飞行时产生弓形激波、正激波、反射激波、Lamda激波、菱形激波等激波簇结构;头车附近区域会出现弓形激波、反射激波向正激波转化的过程,中间车附近区域会出现反射激波、菱形激波产生、发展与消失的过程,尾车附近区域会出现Lamda激波、反射激波、菱形激波、正激波的发展过程。