低真空管道交通系统列车气动阻力研究.pdf

技 术 装 备2023/07CHINA RAILWAY低真空管道交通系统列车气动阻力研究王友彪，宣言，张俊博（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081）摘要：采用计算流体动力学软件，结合动网格技术，建立全长200 m的8节全尺寸列车模型，基于三维瞬态可压缩黏性流体数值模拟，分析低真空管道交通系统列车的气动阻力分布规律，以及真空度、阻塞比、管道截面形状、列车运行速度等因素与列车气动阻力的关系。研究表明，列车气动阻力主要由头车和尾车产生，中间各节车气动阻力不同但均占比不大，气动阻力成分主要为压差阻力，且远大于摩擦阻力；列车气动阻力随真空度、阻塞比增大而增大，且均近似成线性关系；在同阻塞比情况下，方形截面管道内列车气动阻力大于半圆形截面管道内列车气动阻力；在低真空管道环境下，列车气动阻力与速度近似为二次关系。关键词：低真空管道；气动阻力；真空度；阻塞比；仿真分析中图分类号：U260.17 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2023）07-0053-07DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2023.02.13.0010 引言 列车在开放空间的大气环境下运行，头部长度为10 m的流线型列车在运行速度300 km/h时，气动阻力占总阻力的75%1；当运行速度进一步提高时，气动阻力占比更高。气动阻力成为列车运行速度进一步提升的关键制约因素之一。在低真空环境下，列车气动阻力大幅减小，可实现列车更高速运行2。因此，低真空管道高速列车作为新一代运输方式被学者提出3。近年来，随着Hyperloop真空管道概念的提出4，以及我国西南交通大学、中国中车股份有限公司、中国航天科工集团第三研究院等单位的大力推进，低真空管道交通系统发展迅猛5。空气动力学是低真空管道交通系统的一个重要研究领域6，国内外对一系列相关问题开展了研究，仿真研究是其中的重要研究手段之一7。周晓等8基于二维可压缩黏性流体，研究了管道气压 103 Pa、基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（N2021J033）；中国铁道科学研究院集团有限公司科研开发基金项目（2021YJ026）第一作者：王友彪（1988），男，助理研究员。E-mail：-53低真空管道交通系统列车气动阻力研究 王友彪 等技 术 装 备2023/07CHINA RAILWAY阻塞比0.160.78、列车运行速度180720 km/h时列车气动阻力的变化规律；Kim 等9采用静止列车模型系统地研究了阻塞比、真空度与列车运行速度的关系，并 计 算 出 列 车 极 限 速 度 和 激 波 临 界 速 度；刘加利等10-12基于三维可压缩计算流体力学数值模拟，建立“头车+中间车+尾车”的简化 3 节车模型，分析了列车气动阻力与管道真空度、阻塞比、列车运行速度的关系；Lluesma-Rodrguez 等13研究指出，真空管道内气动阻力系数随阻塞比增大而增大，但几乎不随真空度变化；Le等14进一步分析了不同真空度、阻塞比等参数条件下，摩擦阻力和压差阻力的变化规律。目前，针对低真空管道环境下列车空气动力学三维全尺寸模型的数值研究较少。管道直径越大、真空度越高，建设成本越大；管道直径越小、真空度越低，列车运行阻力越大。真空度、阻塞比等指标成为平衡建设成本与运行成本的关键指标。因此，有必要对低真空管道高速列车空气动力学进行系统性研究，探索三者关系，为低真空管道轨道交通的发展提供理论支撑。以低真空管道交通系统为研究对象，利用计算流体力学对管道内超高速列车的空气动力学特性进行三维全尺寸数值模拟研究，系统地分析真空度、阻塞比、管道截面形状、列车运行速度等对气动阻力的影响规律。1 仿真计算方法 1.1基本控制方程目前，高速列车商业运行速度普遍在 350 km/h（马赫数 0.286）以下，可将空气简化为不可压缩流体，即假定密度为常数；而对于低真空管道交通系统，预计其运行速度可达 1 000 km/h，考虑该研究的速度范围为 4001 000 km/h，马赫数均0.300，仿真模型应考虑空气的压缩效应。因此，采用三维瞬态可压缩 Navier-Stokes 方程为控制方程，表示如下：t+xi(ui)=0 ，（1）t(ui)+xi(uiuj)=-pxi+xj (uixj+ujxi-23ijuixi)，（2）t(E)+xiui(E+p)=xj kTxj+ui(uixj+ujxi)-23uiuixiij ，（3）E=T+12(u2i+u2j+u2k)，（4）p=RT ，（5）式中：为流体密度；t为时间；u为流体速度；p为流体压强；E为内能；为流体动力黏度；T为流体温度；k为导热率；为流体比热容；R为气体常数。1.2湍流模型与列车相关的流动现象绝大多数是湍流流动。湍流的数值模拟方法主要有直接数值模拟湍流、大涡模拟和湍流模型（包括涡黏性模型、雷诺应力模型）。涡黏性模型和雷诺应力模型中的-两方程模型在列车周围空气流场流动的湍流数值模拟中应用最广泛，因此采用-湍流模型进行湍流模拟。2 模型建立 2.1列车模型计算车型选用标准动车组作为低真空管道交通系统的运行列车。根据某动车组实际尺寸，建立动车组三维几何模型（见图1）。列车全长200 m，包括1节头车、6节车身和1节尾车。列车保留对气动阻力起主要作用的车身，可在保证达到研究目标的前提下提高计算效率。2.2低真空管道模型仿真模拟基于“动模型”方法，列车在低真空管道内运行。为保证流动充分发展，经过试算低真空管道长度选为2 453 m，作为流体计算外域，列车在管道内运行一段时间后，流动及气动阻力趋于稳定。低真空管道模型见图2。图1动车组三维几何模型-54低真空管道交通系统列车气动阻力研究 王友彪 等技 术 装 备2023/07CHINA RAILWAY如图2所示，低真空管道截面为半圆形，阻塞比为0.180.70，动车组放置于管道中间位置。不同阻塞比条件下的低真空管道计算外域模型形状见图3。同时，为考察管道截面形状对列车气动阻力的影响，建立方形截面低真空管道作为对比。2.3计算网络列车高速运行属于非定常问题，为模拟列车与隧道之间的相对运动，计算区域采用分区对接网格技术，地面、列车均采用六面体结构化网格离散。各分区之间的数据交换通过公共滑移界面进行。研究中，列车运行速度高达1 000 km/h，对流体动力学仿真计算方法的准确性要求更高。因此，需要对比不同网格数量、边界条件、湍流方程对计算结果的影响规律，确定更准确的流体动力学计算方法。对比分析500万、750万、1 000万等不同粗细网格条件下的仿真计算结果。结果表明，网格数量达到一定数量后，结果变化不大。考虑细网格所需计算资源可以接受，因此，后续研究中采用网格数量均约为1 000万。2.4初始及边界条件设置不同初始条件及边界条件，以实现不同仿真工况：（1）设置不同的管道环境压力，模拟不同真空度：分别为500、1 000、2 000、3 000、4 000 Pa；（2）设置不同的滑移区域运动速度，模拟列车运行分别为：400、500、600、700、800、900、1 000 km/h。（3）设置出入口为压力出口边界，列车、轨道及隧道等结构表面设置为固定壁面边界。3 结果分析 3.1气动阻力分布规律各工况条件下列车气动阻力规律基本相同，选择管道压力 500 Pa，列车运行速度 1 000 km/h，阻塞比0.18（车体横截面积 12.8 m2、半圆形隧道横截面积72.0 m2）为典型工况。将长度200 m列车分为8节，对各节车厢气动阻力进行单独监控（见表1）。由表1可知，每节车所受气动阻力不同，尾车气动阻力最大，头车其次，其他6节中间车气动阻力差别不大，均40 N，远低于头车和尾车的气动力。上述气动阻力分布规律与列车在常压、开放环境下运行基本一致。气动阻力包括压差阻力和摩擦阻力，头车、尾车产生的气动阻力主要为压差阻力，而中间各节车主要为摩擦阻力。另外，中间各节车形状完全一致，但边界层沿列车方向发展，因此各节车的气动阻力也有所区别。考虑列车气动优化重点关注头车，后续分析中气动阻力均为列车头车的气动阻力。表1各节车厢气动阻力车厢编号头车2车3车4车5车6车7车尾车阻力/N3 301.00.217.120.022.926.333.75 471.0（a）阻塞比0.18（d）阻塞比0.40（e）阻塞比0.50（b）阻塞比0.20（f）阻塞比0.60（c）阻塞比0.30（g）阻塞比0.70图3低真空管道计算外域模型形状图2低真空管道模型-55低真空管道交通系统列车气动阻力研究 王友彪 等技 术 装 备2023/07CHINA RAILWAY3.2阻塞比对气动阻力的影响设置列车运行速度1 000 km/h，真空度500 Pa，计算不同阻塞比条件下的列车和低真空管道的横截面积（见表2），分析不同阻塞比对列车气动阻力的影响。对列车气动阻力进行监控，不同阻塞比条件下的列车气动阻力时程曲线见图4。由图4可知，低真空管道内列车运行各工况的气动阻力曲线形状几乎一致，在开始阶段不断升高，较短时间（约0.5 s）后气动阻力趋于稳定，说明列车周围的流场已处于稳定状态。列车气动阻力随阻塞比的增大而增大。稳定后，不同阻塞比条件下的列车气动阻力见表3。根据表3数据，绘制不同阻塞比条件下的列车气动阻力拟合曲线（见图5）。选择拟合曲线形式为幂函数形式，即y=axb，式中：a=16 434；b=0.941。由图5可知，列车气动阻力与阻塞比近似成线性关系。3.3真空度对气动阻力的影响设置列车运行速度1 000 km/h，阻塞比0.18（车体横截面积12.8 m2、隧道横截面积72.0 m2），计算不同真空度条件下的列车气动阻力（见表4），分析不同真空度对列车气动阻力的影响规律。管道压力分别设置为500、1 000、2 000、3 000、4 000 Pa。不同真空度条件下，列车气动阻力时程曲线见图6。由图6可知，不同真空度条件下的气动阻力随时间的变化规律几乎一致，在较短时间后趋于稳定，且随着真空度的增大，列车气动阻力不断增大。根据表4数据，绘制不同真空度条件下的列车气动阻力拟合曲线（见图7）。拟合曲线公式为y=axb，式中：a=6.93；b=0.991，可知列车气动阻力与真空度近似成线性关系。图6不同真空度条件下的列车气动阻力时程曲线图5不同阻塞比条件下的列车气动阻力拟合曲线表3不同阻塞比条件下的列车气动阻力N阻塞比0.180.200.300.400.500.600.70最大值3 3013 5815 2267 0148 50010 20011 721图4不同阻塞比条件下的列车气动阻力时程曲线表2不同阻塞比条件下的列车、低真空管道横截面积m2阻塞比0.180.200.300.400.500.600.70横截面积列车12.812.812.812.812.812.812.8低真空管道72.064.043.032.026.021.018.0-56低真空管道交通系统列车气动阻力研究 王友彪 等技 术 装 备2023/07CHINA RAILWAY3.4管道截面形状对气动阻力的影响设置列车运行速度1 000 km/h，真空度500 Pa，管道截面形状为半圆形和方形，对比分析管道截面形状对列车气动阻力的影响。不同阻塞比条件下，不同管道截面形状的列车气动阻力见表5。根据表5数据，绘制不同阻塞比条件下的半圆形、方形截面列车气动阻力拟合曲线（见图8）。拟 合 曲 线 公 式 为y=axb，式 中：a=17 602；b=1。可知方形截面管道内，列车气动阻力与阻塞比成线性关系。该结论与半圆形管道规律相同，但a值较大，说明在相同阻塞比条件下，方形截面低真空管道内列车气动阻力普遍大于半圆形管道。因此，在低真空管道内列车气动阻力除与真空度、阻塞比等相关，还与低真空管道截面形状相关。其中，方形截面管道对阻塞比的敏感程度更高。3.5列车运行速度对气动阻力的影响为了分析不同列车运行速度对列车气动阻力的影响，设置列车阻塞比0.18，真空度3 000 Pa，低真空管道截面形状为半圆形，分析在不同运行速度条件下的列车气动阻力最大值（见表6）。根据表6数据，绘制不同运行速度条件下的列车气动阻力最大值拟合曲线（见图9）。图7不同真空度条件下的列车气动阻力拟合曲线图9不同运行速度条件下的列车气动阻力最大值拟合曲线表4不同真空度条件下的列车气动阻力真空度/Pa5001 0002 0003 0004 000最大值/N3 3016 55413 04319 53525 950表6不同运行速度条件下的列车气动阻力最大值速度/（kmh-1）4005006007008009001 000最大值/N4 1575 1756 57711 22113 57816 23519 535表5不同管道截面形状的列车气动阻力N阻塞比0.180.200.300.400.500.600.70最大值方形3 2043 5245 2907 0508 81010 58712 329半圆形3 3013 5815 2267 0148 50010 20011 721图8不同阻塞比条件下半圆形、方形截面列车气动阻力拟合曲线-57低真空管道交通系统列车气动阻力研究 王友彪 等技 术 装 备2023/07CHINA RAILWAY由图9可知，根据其拟合曲线可得公式y=axb，式中：a=0.064；b=1.830。由此可知，在计算条件（阻塞比0.18、真空度3 000 Pa）下，列车气动阻力与运行速度近似为平方关系。需要指出，当阻塞比或真空度增大时，可能出现较明显的壅塞、激波等现象15-16，此时气动阻力不再正比于速度平方。壅塞、激波等现象对管道交通的气动特性影响显著，有待进一步研究。4 结论 基于三维可压缩非定常计算流体力学数值模拟，研究了不同阻塞比、真空度、管道截面及运行速度对低真空管道交通系统列车气动阻力的影响规律，主要结论如下：（1）列车气动阻力主要为压差阻力，且远大于摩擦阻力。（2）列车气动阻力随阻塞比增大而增大，且在研究的阻塞比范围内（0.180.70）近似为线性关系。（3）列车气动阻力随真空度增大而增大，且在研究的真空度范围内（5004 000 Pa）气动阻力与真空度近似成线性关系。（4）与半圆形相同，方形截面管道内列车气动阻力与阻塞比成线性关系，但在相同阻塞比条件下，方形截面管道内列车气动阻力普遍大于半圆形截面管道。（5）低真空管道环境下，列车运行所受气动阻力与运行速度近似为平方关系。研究得到各因素对低真空管道内列车气动阻力的影响规律，可供相关研究设计参考。需要指出，该研究中真空度较高，且对壅塞、激波等现象未深入考虑，对气动阻力的影响机制缺乏深入分析，有待后续研究。参考文献1 田红旗.列车空气动力学 M.北京：中国铁道出版社，2007.2 冯仲伟，方兴，李红梅，等.低真空管道高速磁悬浮系统技术发展研究J.中国工程科学，2018，20（6）：105-111.3 吴文伶，卢海陆，侯保灯，等.铁路、水利与建筑工程领域颠覆性技术研究 J.中国工程科学，2018，20（6）：42-49.4 张辉达.Hyperloop真空管道车辆气动特性仿真分析 D.长沙：湖南大学，2020.5 熊嘉阳，邓自刚.高速磁悬浮轨道交通研究进展 J.交通运输工程学报，2021，21（1）：177-198.6 MITROPOULOS L，KORTSARI A，KOLIATOS A，et al.The Hyperloop system and stakeholders：a review and future directions J.Sustainability，2021，13（15）：8 430-8 438.7 宋嘉源，李田，张继业.真空管道列车动态运行气动特性研究 J.实验流体力学，2023（1）：1-13.8 周晓，张殿业，张耀平.真空管道中阻塞比对列车空气阻力影响的数值研究 J.真空科学与技术学报，2008（6）：535-538.9 KIM T K，KIM K H，KWON H B.Aerodynamic characteristics of a tube 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Limited,Beijing 100081,China)Abstract:This paper adopts computational fluid dynamics software and dynamic grid technology to establish a full-scale train of 8 cars with a total length of 200 m.Based on three-dimensional transient compressible viscous fluid,the distribution law of aerodynamic resistance of train in low vacuum tube transportation system is analyzed,as well as the relationship between aerodynamic resistance of train and various factors such as vacuum degree,blockage ratio,tube section shape,train running speed,etc.The result shows that the aerodynamic resistance of train is mainly generated by the head car and tail car,and is different among cars in the middle but does not account for a large proportion.The aerodynamic resistance component is mainly differential pressure resistance,which is far greater than frictional resistance;the aerodynamic resistance of train increases with the increase of vacuum degree and blockage ratio,which are approximately linear;under the same blockage ratio,the aerodynamic resistance of train in square tube section is greater than that in semi-circular tube section;in the low vacuum tube environment,the aerodynamic resistance of train is approximately quadratic with speed.Keywords:low vacuum tube;aerodynamic resistance;vacuum degree;blockage ratio;simulation analysis-59