真空管道交通系统超音速状态下熵层的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)青岛科技大学机电工程学院 作者:周艳

  基于粘性流体k-ε双方程湍流模型,建立真空管道交通系统三维数学模型和物理模型,并在超音速状态下对所建模型进行数值模拟。超音速时,气流流经车体形成熵层,根据熵层分布规律进一步分析系统内能量的传递及气动热的生成。结果表明:最大熵值出现在车头和车尾的鼻尖处,生成的气动热最多,该处混乱程度强,能量传递多,在车头形成气动热并在车尾积聚;熵层在车头处环状分布,车身处环车身轮廓分布,但车身后半段车体下方区域出现了小范围的低熵熵层;在后车肩截面处,车体周围的熵层呈“帽”状分布,熵值较周围降低,这部分熵层中的流速变化大,热量传递快,原有的稳定性被破坏。根据熵层的分布规律可以发现,车头部位温度较低,由车头至车尾温度逐渐升高,车尾车肩处温度达到最高。

  随着能源的不断消耗,电商的迅猛发展,交通物流压力持续增大,对经济速度的要求越来越高。因而大运输量、高经济速度的运输方式———真空管道交通(ETT)系统应运而生,这一概念早在1904年现代火箭之父RobertGoddard就已经提出,其科学性、现实性、发展前景得到了中国科学界的权威认可,并迅速被提升到国家战略高度,中国计划于2035年前后建成世界第一条ETT线路。

  虽然ETT的相关研究工作已经逐步展开,但目前的工作仅限于马赫数小于1的空气动力学研究,并未涉及超音速状态下系统内的气动热的生成。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为随着列车速度的提高生成的气动热也会随之增多,而这部分气动热的产生和积聚不仅会影响到ETT的高速高效运行,更会直接影响系统的安全运营,因此有必要对超音速状态下系统内的气动热进行研究。

  超音速时,气流流经车体形成熵层,在熵层中,熵值就越大,混乱程度越强,系统所处状态的稳定情况越差,能量的转化越多。在ETT中,通过对熵层分布规律进行分析,研究系统内能量的传递及气动热的生成。因此,本文在速度400m/s、阻塞比为0.23、管内压力5×104Pa时对三维模型进行数值模拟,分析系统内熵层的变化规律。

1、数值模型

  1.1、基本假设

  (1)列车运行的流场雷诺数大于105,故流场为湍流流动,采用k-ε双方程湍流模型建立数学模型。

  (2)马赫数大于1,建立数学模型时考虑空气的可压缩性。

  (3)忽略了车体外部复杂结构,假设车体为一个具有光滑外形的几何体。

  (4)为简化计算,假设列车按直线路径行进,同时认为真空管道壁面光滑,忽略轮轨接触摩擦。

  1.2、数学模型

  基于粘性流体力学理论,按三维可压缩粘性流,对ETT系统气动热进行数值模拟。粘性、可压缩湍流流场采用k-ε双方程湍流模型模拟时,其流场计算的数学模型用下面的控制方程组描述

真空管道交通系统超音速状态下熵层的研究

真空管道交通系统超音速状态下熵层的研究

  式中,k为空气的传导流系数;T为空气的温度;R为通用气体常数;空气静压为p,密度为ρ,总能为E,热流量为q,t为时间。

2、结论

  在超音速状态下,运用流体力学和传热学的基本理论,考虑到薄激波层的形成机理和特点,根据可压缩流动的Crocco理论,从熵层的角度出发,沿列车轴线方向分析了真空管道交通系统的热压耦合场能量传递及生热机理。结果表明,最大熵值出现在车头和车尾的鼻尖处,说明此处产生的气动热最多,混乱程度强,能量传递多,在车头产生气动热并在车尾积聚;熵层在车头处环状分布,车身处环车身轮廓分布,但车身后半段车体下方区域出现了小范围的低熵熵层;在后车肩截面处,车体周围的熵层呈“帽”状分布,熵值较周围降低,这部分熵层中的流速变化大,热量传递快,原有的稳定性被破坏。根据熵层的分布规律可以发现,车头部位温度较低,由车头至车尾温度逐渐升高,车尾车肩处温度达到最高。

  列车沿直线运行时,在车头正前方,列车前进动力推动气流前进,气流速度总小于列车运行速度,并不断被压缩。这些动能一部分转化为继续压缩前方气体、阻碍列车前进的压能,即气动阻力;另一部分动能则以热的形式耗散,生成气动热。气动热一部分滞留在列车正前方,另一部分随气流扩散到真空管道交通系统内其他位置,随列车远去而逐渐在车尾处积聚。根据熵层的分布规律可以发现,车头部位温度较低,由车头至车尾温度逐渐升高,车尾车肩处温度达到最高。

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