IJM  >> Vol. 8 No. 2 (June 2019)

    低真空管道磁浮列车气动特点
    Aerodynamic Characteristics of Maglev Train on Low Evacuated Tube

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作者:  

陈大年夜伟:中车青岛四方机车车辆股分无限公司,国度工程研究中间,山东 青岛;
郭迪龙:中国迷信院力学研究所,流固耦合体系力学重点实验室学院,北京

关键词:
低真空管道磁悬浮阻塞比管道压力气动特点Low Evacuated Tube Maglev Vehicle Blockage Ratio Tube Pressure Aerodynamic Characteristics

摘要:

基于可紧缩Naiver-Stokes方程,研究了低真空管道条件下管道面积、管道压力对磁浮列车气动特点的影响。研究成果注解:磁浮列车在低真空情况和明线运转情况下贱场具有类似性,列车与管道之间的环状空间类似于拉瓦尔喷管,具有收缩加快或紧缩加速的活动特点,磁浮列车速度达莅临界速度时,磁浮列车尾部会出现激波。磁浮列车的气动力随着管道面积的减小而增大年夜,磁浮列车尾部出现激波后,尾车的气动力会剧增。磁浮列车的气动力系数随着管道压力的增长降低,但管道压力变更大年夜时,招致雷诺数变更大年夜,从而列车的气动力系数有较大年夜不合。

Based on compressible Naiver-Stokes equation, the aerodynamic characteristics of maglev train on different tube area and pressure are studied. The results indicated the flow field around maglev train in low evacuated tube is similar to that in open air, the annular space between maglev train and tube is similar to Laval nozzle and has the flow characteristics of expansion acceleration or compression deceleration, when the speed of maglev train reaches the critical speed, there will be shock wave at the rear of maglev train, the aerodynamic forces of maglev train increase with the decrease of tube area, the aerodynamic forces of the tail car will increase dramatically when the shock wave occurs at the tail of maglev train. The aerodynamic coefficients of maglev train de-creases slightly with the increase of tube pressure, but tube pressure changes, resulting in Reynolds number changes, so as to the aerodynamic coefficients of maglev train are quite different.

1. 引言

列车运转阻力重要由机械阻力和空气阻力构成,关于轮轨情势的高速列车,当运转速度逾越300 km/h时,空气阻力可以达到的总阻力的75% [1]。根据Davis公式 [2] :列车的运转的机械阻力与速度的一次成正比,空气阻力与速度平方成正比,是以,随着列车运转速度的进一步进步,空气阻力的占比将愈来愈大年夜,同时,传统轮轨列车由于车轮-轨道之间的轮轨关系限制,存在的临界运转速度 [3]。低真空管道磁浮列车是一种新型的交通运输体系,具有快速、环保、高效的特点 [4]。低真空管道磁浮列车体系将必定真空度的管道与磁浮列车相结合,完成列车在无轮轨阻力,高空气阻力,低噪声形式下高速运转。1904年, Robert Goddard起首提出在波士顿至纽约间建立一条真空管道铁路,磁浮列车在管道内的运转速度为1600 km/h [5] [6],1999年,Daryl Oster取得了真空管道运输体系的创造专利 [7],2013年,Elon Musk提出了超等高铁(Hyperloop)的筹划筹划 [8]。今朝,全球曾经掀起了真空管道高速列车研究的高潮。

周晓 [9] [10] 等基于弗成紧缩粘性流,对二维管道内的真空管道列车气动特点停止了研究。取得了真空管道内列车空气阻力的影响身分及相干影响规律。文章中的计算物理模型为弗成紧缩粘性流,由于管道运转列车的速度曾经逾越弗成紧缩的范畴,加上所采取的几何模型为二维模型,与真实列车有较大年夜差别,是以,取得的成果是不敷精确的。刘加利等 [11] [12] 基于三维可紧缩粘性流,研究了管道压力、阻塞比等对列车气动阻力、噪声等的影响。文中所用到的模型未推敲列车底部与悬浮板的相互感化,是以,未推敲气动升力的变更规律。黄尊地等 [13] 对真空管道内运转列车的外流场算法停止了研究。取得了三维效应、紧缩效应和非定常效应对列车外流场的影响。文中把计算模型分为静态模型和静态模型,分别用可紧缩和弗成紧缩来计算真空管道内运转列车的气动特点,实际上,文平分析比较中采取的弗成压模型和可紧缩模型,静态计算和静态计算在成绩的提出上就存在掉当的地方,如文中的静态算法把列车的波系解释成紧缩波和收缩波,这是对管道内列车运转情况的误会。是以,亟需对管道列车运转气动特点的停止解释。

本文从管道内磁浮列车流场的构成动手,侧重于研究管道压力、阻塞比关于真空管道磁浮列车的气动特点影响。

2. 计算模型和网格

2.1. 计算模型

本文重要研究阻塞比、管道压力等身分对低真空管道磁浮列车的气动特点的影响规律,是以,对计算模型停止了恰当简化,本文采取头车–中心车–尾车三编组情势的列车模型,个中头车尾车具有雷同外形。全部车身做滑腻处理,没有任何从属部件,计算模型如图1所示,列车头、尾车车长为28 m,中心车车长为25 m,三编组总长度包含车间间隙为82 m,列车底部与磁浮板的间距为20 mm,车身的最大年夜断面面积为10 m2。停止管道面积变更时,包管车体和悬浮架参数不变,对管道面积按比例停止缩比。图1给出了本研究的计算模型。

Figure 1. The schematic diagram of computational model

图1. 计算模型表示图

2.2. 计算域与计算网格

计算域如图2所示,由于列车运转的速度在亚声速范围,为了减小计算区域对计算成果的影响,推敲网格量及计算精度,出口和出口设置在间隔车鼻360 m远处,约为特点长度(车高)的90倍。整场采取构造化网格划分,图3为部分计算区域的网格图,壁面的第一层网格高度为10−5 m,增长比为1.2,包管壁面Y+在1的量级范围内,整场网格数量约为4500万。

Figure 2. The computational domain

图2. 计算区域

Figure 3. The local computational mesh

图3. 部分计算网格图

3. 计算办法

由于触及到低真空度范围内的计算,是以,须要推敲持续介质模型能否合适计算。在管道内,当管道的压力降低时,管道内空气的密度会降低,也即管道内的空气会愈来愈淡薄。平日用克努森数(Knudsen)表示空气的淡薄程度,当克努森数小于0.01时,气体活动属于持续介质的范畴。克努森数定义为分子均匀自在程与活动特点长度的比值,其表达式为:

K n = λ L (1)

式中:Kn——克努森数, λ ——分子均匀自在程,L——活动特点长度。

分子的均匀自在程表达式为:

λ = k B T 2 π d 2 p (2)

式中: K B ——玻尔兹曼常数, K B = 1.3805 × 10 23 ,T——温度,d——分子直径,p——压力。

由(2)式可计算取得在管道压力在0.01 atm至1 atm时的分子均匀自在程变更范围约为,取高速列车的高度为特点长度(平日约为4 m),则可以取得:

K n = λ max L = 1.5 × 10 6 0.01 (3)

本文中,管道内的空气压力最小为0.01 atm,可见,本文的计算可以采取持续介质模型。

本文应用大年夜型贸易软件Fluent停止流场计算,控制方程为三维定常可紧缩N-S方程,团圆办法采取基于格心格局的无限体积办法,空间团圆格局采取Roe格局,粘性项采取二阶中间差分格局,时间团圆采取LU-SGS隐式团圆办法,湍流模型为k-ωSST模型。

界线条件:由于真空管道内磁浮列车运转速度处于亚音速范围,是以,在计算域的出口和出口均采取无反射界线条件。为了模仿车体与管道,磁浮板的相对活动,设置管道、磁浮板与来流具有相等的速度。车体壁面为无滑移固定界线条件。

4. 计算成果及分析

本文起首分析低真空管道磁浮列车四周流场的活动特点,然后分别分析管道面积、管道压力对低真空管道磁浮列车气动特点的影响。本文中用到的管道面积、列车速度和管道压力会在分析影响规律时给出。

4.1. 低真空管道列车扰流的流场特点

由于列车是在密闭的管道内运转,不会近似于列车进出地道产生紧缩波和收缩波的过程,可以近似于明线运转状况,所不合的是其四周有管道界线。不掉普通性,这里以真空管道面积80 m2、列车运转速度600 km/h、管道压力位0.3 atm为例停止流场分析。

图4为列车头部的压力云图和纵剖面流线图,个中流线图的色彩深浅表示气流速度大年夜小。可以看出:在列车头部邻近,气流在流经鼻锥后被导向车顶和车底。图5给出了对称面上的速度图。可以看出:气流在接近列车鼻锥时逐步加速,在鼻锥前端滞止为零,在列车鼻锥处构成驻点和高压区,气流流过鼻锥后,在车体外面构成界线层,阔别界线层区域的气流由于流道的减小,速度逐步加大年夜,在车顶处达到最大年夜。异样,流向鼻锥下方的气流也具有异样的趋势,假设来流的速度小于音速,不合管道面积,不合管道压力条件下,列车头部的流场均表示出异样的活动特点。

Figure 4. The train head pressure contours and the longitudinal profile streamlines

图4. 列车头部的压力云图和纵剖面流线图

Figure 5. Velocity contours on symmetry plane

图5. 对称面上的速度图

图6为列车尾部车体外面压力云图及对称面速度云图,气流从列车前部流向后部,界线层赓续变厚,招致尾车车体上部界线层厚于头车,当气流达到尾车流线型部位时,由于流道面积的增大年夜,气流的速度减小。图7为列车尾部流场的流线图,可以看出,由于列车在上部、侧向的压差,招致上部气流、侧向气流由于剪切感化构成了一系列的涡对。这些列车四周的部分活动特点与列车在明线运转时类似。

Figure 6. Pressure contours on the train tail and the velocity contours on symmetry plane

图6. 列车尾部压力云图及对称面速度云图

Figure 7. Streamlines in the tail flow field

图7. 尾部流场流线图

须要指出的是,上述流场特点是在真空管道内不出现激波时的。实际上,气流流经列车时,列车与管道构成的环状空间与拉瓦尔喷管类似,在不推敲列车的部分细节条件下,该环状空间可以近似于一维变截面的管道,管道内的活动符合一维定常等熵活动的特点,即具有收缩加快或紧缩加速的活动特点,收敛管道中的亚声速活动和扩大管道内的超声速活动是收缩加快的,沿着管道流速赓续增长,而压强、密度和温度赓续减小;扩大管道中的亚声速流和收敛管道中的超声速流是紧缩加速的,沿着管道流速赓续降低,而压强、密度和温度却赓续增长。下面以真空管道面积80 m2、列车运转速度1000 km/h、管道压力0.3 atm停止解释。

当列车运转速度达到1000 km/h时,其Mach数等于0.817,气流从出口达到列车后,由于管道面积的收敛,沿着管道流速赓续增长,在扩大管道与收敛管道的交界处,此地位位于列车的尾车处,气流流速达到声速,在扩大管道,即在尾车的流线型后端气流进一步加快,达到了超音速,管道中出现了激波,激波在管道中的反射将进一步加重管道中的活动条件,同时,由于激波的出现,尾车的气动特点也将产生很大年夜的变更,经过过程改变背压的条件,改变尾车截面的变更率将会改变激波的强度,改良尾车的气动特点。是以关于低真空管道运转的磁浮列车,其头、尾车设计成非对称情势将有益于列车的气动性能(图8)。

Figure 8. Mach contours on symmetry plane

图8. 对称面马赫数云图

4.2. 管道面积关于列车气动特点的影响

当管道面积变更时,由于列车的截面面积保持不变,因此会招致管道内梗塞比变更。假设管道内出现激波,梗塞比的改变将招致激波地位、强度产生改变,气动性能也产生改变。

为了便于分析,定义无量纲系数即列车气动阻力系数和蔼动升力系数公式以下:

C D = F x 0.5 ρ A v 2 (4)

C L = F z 0.5 ρ A v 2 (5)

式中, C D C L 为列车空气阻力系数, F x F z 为列车空气阻力和升力, ρ 管道内空气密度, v 为列车运转速度,A为参考面积。

图9为管道内压力0.3 atm、速度分别为600 km/h、800 km/h、1000 km/h时阻力系数随管道面积的变更。从图中可知:当列车运转速度为600 km/h时,随着管道面积的减小,头车的阻力系数逐步增大年夜,中心车也表示了异样的趋势,而尾车在管道面积大年夜于70 m2时,阻力系数很小,接近于零,变更也很小,但管道面积小于60 m2时,其阻力系数会随着管道面积的减小大年夜幅增长。从头车、中心车、尾车的阻力系数来看,在管道面积大年夜于60 m2时,三车的阻力系数大年夜小分列为:头车 > 中心车 > 尾车。而当管道面积为40 m2时,尾车的阻力系数大年夜于中心车的阻力系数。出现这类景象能够是在时速600 km下,管道面积为60 m2时。尾车四周的活动状况产生很大年夜的改变,在尾车出现了激波所招致。当列车运转速度为800 km/h和1000 km/h时,三车的阻力系数大年夜小分列为:尾车 > 头车 > 中心车,随着管道面积减小,阻力系数增大年夜,三车的阻力系数随管道面积不如速度为600 km/h时变更激烈。解释此时列车四周的活动状况是类似的。图10为管道内压力0.3 atm、速度分别为600 km/h、800 km/h、1000 km/h时三车升力系数随管道面积的变更。可见,尾车的升力系数要远远大年夜于头车和中心车,并且,随着管道面积的减小,头车和中心车升力系数稍微增长,而管道面积变更关于尾车的升力系数影响较大年夜,特别是当管道面积小于某一临界值时,会出现尾车升力系数的剧增。图11给出了管道面积为80 m2,速度为800 km/h,管道压力为0.3 atm时对称面的Mach数云图,从图中可以看出,在列车的尾部出现了很明显的激波,可知在速度大年夜于800 km/h时,列车的尾部将会出现激波。对对比应的阻力系数和升力系数,可以知道,当尾车出现激波后会惹起尾车气动性能的激烈变更。

Figure 9. Coefficients of drag on tube area at different speed

图9. 不合速度下阻力系数随管道面积变更

Figure 10. Coefficients of lift on tube area at different speed

图10. 不合速度下升力系数随管道面积变更

Figure 11. Mach contours on symmetry plane

图11. 对称面马赫数云图

4.3. 管道压力关于列车气动特点的影响

衡量气体分子热活动的激烈程度由温度来表示,气体分子活动越快,温度越高。管道内气体的压力是气体分子热活动感化的统计效应,当温度不变时、管道内的压力停止变更时,也即意味着管道内气体的密度产生了改变,根据Re的定义,可知,管道中气体的单位雷诺数产生改变,认真空管道内压力从0.01 atm变更到1 atm时,真空管道内的单位雷诺数将会相差100倍,从而能够会对气动力产生影响。

图12为速度分别为600 km/h和1000 km/h时各车阻力系数随管道压力的变更图。从图中可以看出:当管道压力小于0.2 atm时,阻力系数随着管道压力的增长出现比较明显的降低,而当管道压力大年夜于0.2 atm时,阻力系数随着管道压力的增长变更稍微降低,变更很小。图13的升力系数随管道压力的变更图也表示出了雷同的趋势,这说清楚明了雷诺数变更大年夜时,列车的气动力系数有较大年夜不合。

Figure 12. Coefficients of drag on tube pressure at different speed

图12. 不合速度下阻力系数随管道压力变更

Figure 13. Coefficients of lift on tube pressure at different speed

图13. 不合速度下升力系数随管道压力变更

5. 结论

基于可紧缩Naiver-Stokes方程,研究了低真空情况下管道面积、管道压力对磁浮列车气动特点的影响,取得了以下结论:

1) 低速运转时,低真空情况下磁浮列车与明线磁浮列车的流场特点类似。列车与管道构成的环状空间构成了拉瓦尔喷管效应,磁浮列车达莅临界速度时,列车尾部会出现激波,管道面积不应时,管道中出现激波的磁浮列车临界速度不合。

2) 列车的气动力随着管道面积的减小而增大年夜,列车尾部出现激波后,尾车的气动力会激剧增大年夜。

3) 列车的气动力系数随着管道压力的增长降低,但管道压力变更大年夜时,招致雷诺数变更大年夜,从而列车的气动力系数有较大年夜不合。

NOTES

*通信作者。

文章援用:
陈大年夜伟, 郭迪龙. 低真空管道磁浮列车气动特点[J]. 力学研究, 2019, 8(2): 109-117. https://doi.org/10.12677/IJM.2019.82013

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