基于馬赫數的真空管道交通系統溫度場特性初探

賈文廣

[摘要]根據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學模型，數值模擬不同馬赫數下的真空管道系統內部溫度場，并分析其生熱機理與傳熱特性。結果表明：在真空管道交通系統中，隨馬赫數增大，系統最高溫度呈拋物線趨勢遞增在管內壓力和阻塞比一定的情況下，系統內車尾頂部溫度達到最大，隨后溫度逐漸降低。

[關鍵詞]真空管道交通；馬赫數；氣動生熱

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

現今，在經濟全球化和跨區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展瓶頸。前者作為地面交通工具，其運營速度受到了空氣阻力的嚴重制約，研究表明，當列車速度為300km/h時，運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取得了長足的進步，但未來可提升的空間已十分有限；飛機在介質稀薄的高空運行，可以在低阻力狀態下保持高速，然而天氣及運載能力限制了飛機的進一步發展。因此，人們一直在尋找一種能夠適應時代發展要求的交通工具，真空管道交通系統（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

真空管道交通系統這一設想最早由現代火箭之父Robert Goddard于1904年提出，目前，國際上得到普遍認可的真空管道交通系統有兩種形式，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、鐘山院士聯合發起的“真空管道高速交通院士學術報告會”，其真空管道交通系統的科學性、現實性、發展前景及重大意義得到了院士們的一致認可。

列車在真空管道交通系統內高速行駛時，管道內介質因列車高速推進被壓縮，在管道空間的束縛下，介質無法像在敞開的大氣環境中及時、順暢地外掠車體表面流線后逃逸，只能在管道與列車的環狀空間中碰撞、壓縮，在這一復雜過程中，介質借壓縮正壓力與管道內壁面和列車外表面產生劇烈摩擦、生熱、傳熱，產生一系列的空氣熱、動力學現象。這些現象引起的空氣熱、動力學問題決定著真空管道交通系統能否安全、高速、高效運營，而現有的研究工作主要針對真空管道交通系統內壓力場的分布及特性，并未涉及氣動熱產生的機理和規。

2 真空管道交通系統三維模型

在真空管道內運行時引起的車體周圍空氣流動狀態十分復雜，流場Re>105，故認為該流場為湍流流動。本文計算時采用雙方程湍流模型模擬這一湍流流場。一般來說，當馬赫數小于0.3時，應當按照不可壓縮流動處理，當馬赫數大于0.3時，應按可壓縮流動處理。本文中列車車速高于0.3馬赫數，介質應視為可壓縮流體。此外，假設列車為光滑外形的幾何體，忽略了如受電弓、轉向架等列車外部復雜的結構。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。馬赫數分別取0.3、0.45、0.6。圖1所示為管道內經為7m，阻塞比為0.18時的模型圖。

3 系統內最高流速與阻塞比

可以計算結果看出，系統內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。系統內的熱量大部分由動能所轉化，這部分造成積聚效應使更多的氣動熱流向車體后方，至車尾頂部溫度達到最大，隨后溫度逐漸降低。在管內壓力和阻塞比一定的情況下，系統最高溫度隨列車速度增大呈拋物線趨勢遞增，如圖2所示。管內壓力和阻塞比一定時，系統馬赫數低時，通過列車與管道環隙氣流速度較小，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行所消耗的能量也相對較小，從而系統內部最高溫度變化不大；當馬赫數逐漸增大，沿列車流線通過列車與管道環隙的氣流速度增大，摩擦阻力增大，不僅導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化為熱量，增加了整個系統的溫度。另一方面，車頭高壓區進一步壓縮，壓力急劇增大，車尾處由于環隙氣流流速的增大產生的渦街效應也逐漸加強，壓差阻力不斷增大，由此保持這一速度運行所消耗的能量也大幅增大，從而系統內部最高溫度急劇升高。

4 結論

通過以上探討分析，在真空管道交通系統中，隨著馬赫數的增大，系統最高溫度隨列車速度增大呈拋物線趨勢遞增。當系統馬赫數較小時，系統溫差不明顯，隨著馬赫數增大，壓力急劇增大，車尾處由于環隙氣流流速的增大產生的渦街效應也逐漸加強，壓差阻力不斷增大，由此保持這一速度運行所消耗的能量也大幅增大，從而系統內部最高溫度急劇升高

參考文獻

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

[2]沈志云，關于我國發展真空管道高速交通的思考[J]西南交通大學學報，2005，24（2）：133-137

[3]周曉，張耀平，姚應峰，真空管道交通中高速列車空氣阻力數值仿真[J]，科學技術與工程，2008，8（6）