真空管道高速列车气动阻力及系统参数设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西南交通大学牵引动力国家重点实验室 作者:刘加利

  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。

  发展高速铁路成为世界铁路运输发展的共同趋势,也是铁路技术现代化的主要标志。随着列车运行速度的提高,许多在低速时被合理忽略的问题都逐渐浮出水面,并且在很大程度上影响着列车的提速。与普通列车相比,高速列车所处的动态环境发生了质的变化,由机械、电气作用为主,变成了以气动作用为主。低速运行时,列车阻力中的气动阻力所占比例很小,但当速度达到200和300km/h时,气动阻力在总阻力中所占的比例将上升到70%和80%左右。高速带来的噪声问题更为严重,当列车的运行速度超高300km/h,列车运行产生的气动噪声将会超过轮轨噪声,成为高速列车的主要噪声。克服气动作用是地面高速交通的主要任务。气动阻力与速度的二次方成正比,气动噪声与速度的六次方成正比,这是任何地面交通工具都无法避免的客观规律。在地表稠密的大气层中运行的高速交通工具,其最高速度都不宜超高400km/h。然而,实现更高速度确有客观需要,也是交通科技工作者孜孜以求的梦想。地面高速交通的障碍来自周围介质,即稠密大气,提速的根本途径只能是改变介质的密度。真空管道高速交通作为下一代高速运载工具的想法应运而生。列车在抽成低气压的密闭管道里运行,其所处的介质发生变化,其动态环境可变为万米高空(如达到0.2×105Pa)或者宇宙(1~10Pa),由此可以实现音速或者超音速运行。

  目前,从全球范围来看,真空管道高速交通尚无先例可供参考,对真空管道高速交通的设想主要有两种:美国的ETT系统和瑞士的超高速地铁。美国ETT公司只是对真空管道运输系统的总体设想进行了介绍,并未对其列车空气动力学问题进行深入研究。瑞士超高速地铁工程研究的主要课题中虽然包含了高速车辆与管道内的空气动力学问题,但是只局限于大气压力为1×104Pa,列车运行速度为400~500km/h条件下的列车空气动力学特性。文献采用二维不可压缩模型研究了真空管道中阻塞比对列车气动阻力的影响特性。文献采用二维可压缩模型研究了真空管道高速列车气动阻力与列车速度、阻塞比和管道压力的关系。真空管道高速列车空气动力学的研究正处于起步阶段,已有的相关研究,其计算模型都相对简单,与实际情形差异较大。

  目前,国内外尚未有关于真空管道高速列车气动特性的三维数值模拟。管道压力、阻塞比和列车速度如何影响真空管道高速列车的气动阻力,如何科学地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,目前均无系统的研究。基于此,本文建立低压环境下真空管道高速列车空气动力学计算的流体模型、数学模型和数值计算模型,对不同管道压力(1×103~1×104Pa)、不同阻塞比(0.2~0.7)和不同列车速度(600~1000km/h)下的真空管道高速列车空气动力学特性进行分析,研究管道压力、阻塞比和列车速度对真空管道高速列车的气动阻力系数和气动阻力的影响。并以明线上运行速度为400km/h的高速列车气动阻力为限值,建立了真空管道高速交通系统最高经济运行条件下的临界管道压力、阻塞比和列车速度的计算公式,给出最佳的管道压力、阻塞比和列车速度关系。

不同阻塞比和列车速度下的临界管道压力

图5 不同阻塞比和列车速度下的临界管道压力

  由于真空管道高速列车气动阻力与管道压力成线性关系,因此固定列车速度和阻塞比时,可以由式(11)确定出管道压力的临界值。图5给出了真空管道高速列车在不同列车速度和阻塞比组合下的临界管道压力。由图5可以看出,当列车速度固定时,临界管道压力随阻塞比的增加而减小。随着列车速度的增加,阻塞比对临界管道压力的影响减弱。当车速为600km/h,阻塞比由0.2增加到0.7时,临界管道压力由9.5×103Pa降低到3.4×103Pa,降低了64.2%;而当列车速度为1000km/h,阻塞比由0.2增加到0.7时,临界管道压力由2.3×103Pa降低到1.2×103Pa,降低了46.7%。

  此外,由图5还可以看出,当阻塞比固定时,临界管道压力随列车速度的增加而减小。随着阻塞比的增加,列车速度对临界管道压力的影响减弱。当阻塞比为0.2,列车速度由600km/h增加到900km/h时,临界管道压力由9.5×103Pa降低到2.3×103Pa,降低了75.4%;而当阻塞比为0.7,列车速度由600km/h增加到900km/h时,临界管道压力由3.4×103Pa降低到1.2×103Pa,降低了63.4%。理想的真空管道高速交通系统应具有尽可能小的气动阻力和尽可能高的运行速度,为实现这一目标,应尽可能地降低真空管道的管道压力,使其接近于真空状态,并需要尽可能地减小阻塞比。但对于实际的真空管道高速交通系统,受建设及运营成本的限制,管道压力和阻塞比不能无限地减小。因此,在进行管道压力和阻塞比的最优设计时,还需要进一步考虑经济成本的影响。

4、结论

  本文较为系统地研究了真空管道高速交通系统的管道压力、列车速度和阻塞比对高速列车气动阻力的影响特性和最佳管道压力、列车速度和阻塞比的确定,主要有如下结论:

  (1)低压(1×103~1×104Pa)环境下,真空管道中的气体流动可以采用连续介质模型描述。

  (2)低压(1×103~1×104Pa)环境下,高速列车的气动阻力系数基本上与列车速度和管道压力无关,主要依赖于阻塞比。

  (3)高速列车的气动阻力随阻塞比的增加而增大,与管道压力近似成线性关系,与列车速度近似成平方关系。

  (4)真空管道高速交通系统经济运行时的临界管道压力与列车速度和阻塞比成反比关系。

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