真空管道运输高速列车空气阻力数值仿真

真空管道运输高速列车空气阻力数值仿真 西南交通大学 硕士学位真空管道运输高速列车空气阻力数值仿真 姓名:周晓 学位级别:硕士 专业:物流工程 指导教师:张殿业 20080701 西南交通大学硕士研究生学位论文 第,，页 ,,,,,,;,( ,,,;,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,(,邢,,,, ,, ,,, ,,,, ,,,,,,;?,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,,, ,,,, ,, ,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,’,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,,,(,,,,,,,, ,, ,,,,,,,, ,;,,,;, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,(,,(,,,,,,,,)，,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,, ,？,,,,,, ,,, ,一占,,,,,,,,？,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,，,,,;,,,，,,,,,, ,,, ,,;,,,,,,,,,,, ,,,,,，,,, ,,,,,,,,,,; ,,,, ,, ,,,,?,,,,, ,,,,, ,,, ,,, ,,,,;,, ,,,,,;,,,,,, ,,,,, ,,,,,, ,, ,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,, ,,, ,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,;,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,，,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,, ,,,, ,,,,,( ,,, ,,,,,,,,,,; ,,,,?,,,,, ,,,,, ,, ,,,;,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,;,,(,,,,,，,,,,,,,, ,, ,,,;,,,,, ,,,, ,, ;,,,,,,,,, ,, ,,, ,, ,,,,,,,,,,,, ,,;,,,, ,,,;, ,,,,,,,, ,,,,,’, ,,,,(,,, ,,,,,,,,,,; ,,,, ,,,,,,?,,,,, ,,,,;,, ,, ,,,, ,,,, , ,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,(,,;,,,，,,,;,,,, ,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,,;, ,,;,,,(，, ,,,, ,,,,, , ,,,,,,,,, ,,,;,,,,,,,,,, ,,, ,,,,, ,, ;,,;,,,,, ,,, ,,,,(,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,，,,, ;,,,,,,,, ,,,, ,,,, ,,, ,,,, ,, ,,,,, ,,,;, ,,,, ,,,,, ,,,,,, ,,, ,,,,, ,,, ,,,,,, ,,,,,,,,，,,,’, ,,,,,,,,,,，,,;, ,, ,,,,，,,,,;,,,;,，,,;，,,, ,,,,,,,,,,,,(,,,,,，,,,,,’, ,,,, ,,,,, ,, ,,,, ,,, ,,,,,,,;,,,;,,,(,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,, ;,, ,,,,;,,,,,, ,,;,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,;,,,, ,, ,,,,,,,,,, ,,,,;,, ,, ,,,;,,,,, ,,,, ,;;,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,, ,, ,,,,, ,,,, , ,,,,, ,, ,,,, ,,,,,(,,,,,,,,:,,,;,,,,,,,,,, , ,,,,;,,,,,,,,,,; ,,,,;,,,,,,;,, ,,,,,,,,,, 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 ,(保密口，在 年解密后适用本授权书; ,(不保密,使用本授权书。 (请在以上方框内打“,’’) 学位论文作者签名: ,现内 指导老师躲弛陟 日期: ,卵,?,,?，乡 日期:,寥(’,(,? 曲南父遗大罕 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下: 对真空管道内不同大气压力、不同阻塞比、不同车头外形条件下列车以不同速度运行时所受到的空气阻力进行研究，分析大气压力、阻塞比、车头外形对真空管道运输高速列车空气阻力的影响规律，确定真空管道运输高速列车空气阻力的影响因素。 学位论文作者签名:同奶 日期:寺卯,(,(,弓 西南交通大学硕士研究生学位论文 第,页 第,章 绪论,(, 课题研究的背景及意义 随着社会和经济的发展，人们对物资流动的快捷性与出行的便利性的要求越来越高。各种交通运输方式在这种需求的推动之下迅速发展起来，但是诸如交通拥堵、空气污染、噪音污染以及安全等与交通相关的问题也越来越严重。飞机和磁悬浮列车是目前世界上运行速度最快的交通工具，磁悬浮列车虽然消除了列车与轨道之间的机械摩擦，但是由于地表稠密的大气引起的空气阻力阻碍了列车运行速度的进一步提高:飞机虽然在高空中运行而大大减少了空气阻力，但是它的飞行能源消耗大，并且受到气候条件的约束。因此，更快捷、更高效、更安全又更环保的交通运输方式的设想一一真空管道运输(,,,;,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,，简称,,,)就应运而生了,,,】。真空管道运输系统的基本设想是:将磁浮系统置于抽成一定真空度的密闭管道之中，由于没有机械阻力和空气阻力的制约，也不受气候条件的影响，磁悬浮列车在管道中可以以数倍于飞机速度的速度运行。真空管道运输系统将会成为,,世纪新兴的交通运输方式。 随着列车运行速度的提高，列车与周围空气间的作用加剧。包括空气阻力在内的列车空气动力学问题越来越受到各国专家学者的重视。为了实现高速列车的安全、舒适、降低能耗并满足环境保护等要求，世界各国逐渐开展了对列车空气动力学问题的研究,,,,?。研究真空管道内大气压力、列车运行速度、阻塞比、列车头部外形等因素对高速列车所受到的空气阻力的影响，对于真空管道运输系统的管道内真空度、列车运行速度、管道阻塞比的确定以及列车外形的设计，，并使其满足工程建设的可行性，以及实现运营成本的经济性等都具有重要的意义。,(, 国内外研究现状 ,,,,年，现代火箭之父,,,,,, ,,,,,,,在,,,;,,,,工学院的开学典礼上演讲时提到:在波斯顿至纽约之?浣ㄒ惶跽婵展艿捞 废撸 盗就ü 绱?西南交通大学硕士研究生学位论文 第,页方式悬浮在轨道上，消除金属之间的接触，这种运行方式从波斯顿到纽约的旅行时间只需,,分钟。 ,,,,年，,,,,,,, , ,发表了题为“高速管道运输(,，,,,,,,, , ,,,,,,,,,,,,,,,，,,)’’的文章，提出了一个能够在,,分钟内从波斯顿到达华盛顿的客运系统设想，此系统由一对抽成一定真空的管道组成，其中的车辆运行速度为,,, ,,,(,,, ,,,,)。 ,,世纪,,年代，美国麻省理工学院的专家通过技术分析，设想了一种高速运输工具一一真空管运输系统，而且预计在,,世纪可能成为现实。该设想的轮廓是:横贯美国东西，由纽约到洛杉矶修建一条长,,,, ,,的地下隧道，隧道内抽成相当于,(,,,个大气压的真空，将磁浮车系统安装在隧道内，在这种真空隧道中，时速可达,,,,, ,,,,，即使采用该理论速度的,,,的速度(,,,, ,,,,)，由纽约到洛杉矶也只要,,分,,秒的旅行时间。 ,,世纪,,年代，瑞士工程师,,,,,,,, ,,,,,提出“瑞士超高速地铁工程(,,,,,,,,,,)’’项目的建议，随后受到瑞士联邦理工学院专家的支持。,,,,年成立,,,,,,,,,,公司。,,,,年,月，在联邦政府和私人企业的资助下完成初步可行性研究。 ,,,,年，美国兰德(,,,,，,,,(,,,,(,,,)公司的研究人员,,,,,, ,(,,,,,,在他的研究(,,,,,—,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,:, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,)中作了如下描述:一种叫“运输之星”的地铁系统，有电磁支撑和在地下一定真空度的管道中运行的车辆组成，能够在一小时内穿越美国。 ,,,,年，经过多年的研究与设计，美国弗罗里达机械工程师,,,,, ,,,,,获得真空管道运输系统发明专利，至此，真空管道运输作为一项正式的专利技术被在世界科技发明史上。为了促进,,,研究与开发工作，,,,,, ,,,,,于同年在弗罗里达州注册成立,,,(;,,公司。 ,,,,年,,月，由沈志云院士、钟山院士联合发起的“真空管道高速交通”院士学术报告会在西南交通大学顺利召开，钱清泉、宋文骢、乐嘉陵、张涵信、葛昌纯等院士到会，何祚庥院士在不能到蓉参会的情况下向大会递交了书面意见。这次大会标志着真空管道运输系统的科学性、现实性、发展前景和重大意义等得到中国科学界的确认，是中国在真空管道运输领域迈出 西南交通大学硕士研究生学位论文 第,页的重要一步。 ,,,,年，西南交通大学成立了“真空管道运输研究所”，正式启动了我 国在真空管道运输领域的研究开发工作。这是世界上第一个由大学或者政府部门成立的真空管道运输研究机构。世界上第一条商业运营的磁悬浮线路已落户上海，沪杭磁悬浮线路也获批立项，这些都是真空管道高速磁浮运输在我国发展十分有利的条件。 ,,,,年，西南交通大学张耀平副教授申请的自然科学基金项目:真空管道高速磁浮交通基础研究通过批复，项目批准号为,,,,,,,,。这为真空管道运输系统基础性研究提供了一个重要的平台。 列车的空气阻力与列车速度的平方成正比，列车会车及通过隧道时的气动压力冲击，列车对站台上乘客、作业人员及路边建筑物安全的危害，气动噪声对周围环境的影响等，引起一系列影响列车能耗、安全、舒适及环境保护等严重的空气动力学问题，此外由于列车的庞大、细长和近地运行，与航空飞行器和汽车相比，其空气动力学问题具有特殊性，得到了世界各国普遍的重视。自,,世纪,,年代至今的半个世纪以来，各国在发展高速铁路的过程中，都将空气动力学问题作为重点攻关课题进行了大量的研究口,,,引。 日本的原朝茂是较早研究列车空气阻力的学者之一，早在,,世纪,,年代就提出了列车空气阻力的计算方法，该方法至今仍被认为是精度最高的方法之一。德国航空和宇宙飞行研究试验局 的气动力学设计和气动力学实验研究所的一项由联邦研究技术部资助的协作项目里，设计出高速动车组的车头形状，并从理论和实验上进行了研究。一些欧美学者也致力于隧道中列车空气阻力的研究，在解析计算与数值计算两种方法中都取得了较大的发展汹一,,(,,,,,〕 , 我国在列车空气动力学方面的研究起步较晚，,,世纪,,年代初才正式开始相关的研究乜,,,玑拍,,,,，起初主要是进行实车试验及风洞试验，数值仿真技术在近几年也迅速发展起来。四川联合高速水力学国家重点实验室给出了具有一定细长比的流线型高速列车车头在隧道中行驶时的高程摩阻损失和局部摩阻损失的简化计算公式，为车头选型和隧道中列车空气阻力的计算提供了依据。中南大学高速列车研究中心根据数值模拟计算和风洞试验结果，研 西南交通大学硕士研究生学位论文 第,页究了列车交会压力波与相对速度、绝对速度、速度比、线间距、列车外形以及列车编组方式等之间的关系。我国自行设计、速度为,,, ,,,,的首列动力集中型客运电动车组正式投入运营，相继有,,, ,,,,动力集中型(中华之星号)等多种类型的国产高速、准高速电动和内燃动车组在线路上行驶，均具有良好的空气动力性能。 真空管道运输系统是作为下一代的交通运输方式被提出的，由于技术条件和经济条件的限制，包括真空管道的列车空气动力学问题在内的真空管道运输系统的相关研究很少。目前，对真空管道运输系统的设想主要有两种:美国,,,(;,,公司的,,,系统和瑞士的超高速地铁(,,,,,,,,,,)。美国,,,(;,,,公司只是对真空管道运输系统的总体设想进行了介绍睛,，并未有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阳,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,(,个大气压，列车运行速度为,,,,,,, ,,,,条件下的列车空气动力学特性。国内对该课题的研究几乎是一片空白。,(,研究内容、方法,(,(, 研究内容 以国家自然科学基金资助项目《真空管道高速磁浮交通基础研究》(项目批准号:,,,,,,,,)为依托，对真空管道内高速运行的列车所受到的空气阻力进行研究。 主要研究内容是:建立计算模型和计算区域、对计算区域进行网格划分设置边界条件等;对真空管道内不同大气压力、不同阻塞比、不同车头外形条件下列车以不同速度运行时所受到的空气阻力进行研究，分析大气压力、阻塞比、车头外形对高速列车空气阻力的影响规律，确定真空管道运输高速列车空气阻力的影响因素。,(,(, 研究方法 目前，研究列车空气动力学问题所采用的方法有两大类:第一类为试验研究方法，主要包括风洞试验、水洞试验、电模拟试验和实车试验;第二类为数值模拟研究方法，主要包括有限差分法、有限元法、有限体积法和主面 西南交通大学硕士研究生学位论文 第,页元法。风洞试验是列车空气动力学研究的传统而有效的方法，但是风洞建设投资巨大、试验周期长。数值模拟是采用数值计算的方法，通过计算机求解相应的数学方程组，研究列车流场的流体运动特性，给出流体规律。同试验方法相比，数值模拟具有可预先研究、不受条件限制、信息丰富、成本低、周期短等特点。本文使用基于有限体积法的流场分析软件,,,,,,进行数值模拟，研究分析真空管道内列车空气阻力的影响因素及相关影响规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第,页 第,章基本理论概述,(,真空管道运输系统,(,(, 真空管道运输的优越性 真空管道运输是一种全新的交通运输模式，所需能耗不到当前运输方式能耗的,,，而且安全性更高、速度更快。凡是有道路存在的地方，就可以有 两根管道，供两个方向旅行使用，可以在地上，也可以在地下。管中抽成真空，消除了空气阻力，使磁悬浮列车可以接近无摩擦地高速运行。 ,,,是一种非常有效的运输方式，运营费将相当便宜。旅客所需支付的费用将低于当前运输方式的四分之一，如果旅客付出跟现在一样的费用，则可以比现在快得多的速度旅行。例如，在,,分钟内即可从纽约到达迈阿密，而且花费少于乘坐飞机的费用。总之，运行费用将极大地减少，完全可以抵消初期建设成本。 跟飞机的不同之处是，,,,从本质上消除了撞机的可能性。在管道中运载工具或乘客被移动的车辆、子弹或者雷电击中几乎是不可能的，因此,,,比步行更安全。,,,要比汽车安全，因为在管道中行驶的路径始终是处于控制之中的，车与物、车与车之间是不会发生冲突的，不必担心机械故障以及不利的气候条件。,,,几乎避免了由于轨道问题而引起的大多数列车事故。由于,,,不受天气因素的影响，所以它要比海运安全。,,,极大的减少了易引起飞机失事的操作失误，机械故障，以及恶劣的气象条件的影响，所以要比飞机安全。,,,决不可能碾压在道路上行走的儿童或动物。,,,不需携带能量，所以没有火灾风险。总之，,,,避免或减少了引起各种运输方式的事故因素。另外，,,,以连续方式运行，所以可以在旅客所期望的任何时候出发，而不用担心天气条件。 ,,,还具有环保的优点，建设,,,〔(匕建设一条公路对环境造成的损害减少,,,，而且对资源的消耗也少得多。就每人公里运输量而言，,,,对环境的温室效应只有飞机和小汽车的,一,,。野生动物可以自由迁徙，不受阻碍;动物 西南交通大学硕士研究生学位论文 第,页将不会像今天这样因穿越公路而被车辆压死。,,,对湿地、沼泽地的影响也较小，不会破坏自然水体和蓄水层。,,,设施的使用寿命很长，所以维护费用很小，也使浪费达到最小。,,,可以使用像太阳能、风力和水电这类可再生和无污染的能源。 乘坐,,,就像坐在很安静的飞机中一样，在,,,中旅行比乘坐任何豪华轿车或飞机都要平稳，而且不会有在,,,,,英尺高空的神经紧张感。视距离远近，,,,的速度可以很方便地进行调整，相邻市镇间可以按,,, ,,,,的速度运行，国际间运输可以按,,,, ,,,,以上的速度运行，从华盛顿到北京只需,,，时即可到达，而且不必浪费两个小时驱车去机场，因为不存在候车和候机问题，,,,终端站占地面积将很小，可以设在离市区不远的能在几分钟内到达的地方。 一条技术条件不高，速度为,,, ,,,,的,,,线路的造价大约只有一条四车道公路的,,,，而且维护费用不到该公路维护费用的,,,，在每一方向上，,,,输送能力将超过,条公路车道的输送能力。运行,,,的总能耗将少于继续使用小轿车和飞机能耗的,,,,。 总之，跟现有的运输工具(飞机、火车、汽车等)相比，,,,具有快速、高效、节能、方便、环保、安全等优越性。,(,(, 目前主要的两种真空管道运输系统 现阶段提出的真空管道运输系统主要有两种，分别是美国,,,公司的,,, (,,,;,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,)系统和瑞士的超高速地铁(,,,,,,,,,,)。,(,(,(,美国,,,(,,,公司的,,,系统 ,,,,年，经过多年的研究与设计，美国弗罗里达机械工程师,,,,, ,,,,,获得真空管道运输系统发明专利(美国专利号:,，,,,，,,,)。为了促进,,,研究与开发工作，,,,,, ,,,,,于同年在弗罗里达州注册成立,,,(;,,公司。,,,(;,,公司的真空管道运输模式如图,,，所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第,页 图,,,美国,, ,(;,,公司的真空管道运输模式 该模式的运输线路由不同运行方向的两根管道组成，以避免迎头对开的列车相遇时产生的气压转变及震荡。根据地形和经济条件，可以把管道置于地上或者地下，也可以高架。两根管道可以平排，也可以竖排，如图,,,所示。管道横截面为圆形结构，并且由密封性及力学性能良好的材料制成，使管道能够更好得满足承受管道内外气压差形成的压力、承受列车重力、纺织大气渗漏等要求。管道内径为,(,—,(,，,，管道内压强为,(,个大气压。管道沿线每隔一定距离设置一个真空泵站以维持管道内的真空度，并且每隔一定距离设有安全舱，当车辆发生故障停止后，乘客可从此安全舱逃离。 图,,,两种排列的管道截面图 ,,,系统包括低速系统，中速系统和高速系统。其中，低速系统设计时速为,,, ,,,,，可与现有的地面交通展开竞争;中速系统设计时速为,,,, 西南交通大学硕士研究生学位论文 第,页,,,,，可与航空运输展开竞争;高速系统设计时速为,,,,, ,,,,,。磁悬浮是,,,运行系统的首选方式。 ,,,(,,,公司的专利中提到了一种,,,,,,,车辆，如图,,,所示。这种车的质量只有,,, ,,，直径,(, ,，长,(, ,,,，可搭载,人，满载后重量只有,,,千克。,,,,矿的能耗只有, ,,，采用内燃机驱动，燃料以可再生能源为主。据测算这种车型具有效率和成本的最佳比。,,,,,“可在,, ,内达到时速,,, ,,,(,,, ,,,,)，,, ,内速度减为,。从舒适性方面考虑，,,,公司设计的车辆加速时间在,,,内，加速和制动距离小于,英里(,,,, ,)，发车间隔是,, ,，这个时间主要包括车辆进入管道时间、车辆启动时问、两车间隔时间和空气锁(过渡舱)工作时间。按每车载,人计算，双方向两根管道的流量为,,,,人次,小时。 图,,, ,,, ;叩公司专利中的真空管道运输车辆,(, , ,瑞士超高速地铁(,,, ,,,,,,,)系统 ,,,,,,,,,,是一种完全设置在地下的交通设旌? 闪礁鲋本叮得椎乃淼雷槌桑 淼乐 浼涓粼嘉 玻?,，它们通过横向走廊连接起来，产生和保持一定真空度的抽气泵就放在这里。,,,,,,,,,,系统的隧道横截面如图,,,所示。隧道的大部分从岩石中穿过，依据地形的变化，深度一般在地下,,—,,,米之间。隧道中抽成一定的真空，真空度大约跟,,,,,米高空的大气压(约为, ,个大气压)相当，这种真空环境有利于减小空气对车体的阻力，节省用于驱动的能量。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第, ,页 ,,;,渐哪太,蘑 气间隙 。荔移 ，,，秀篁,:岛 ,,,,,,,,芹, 图,,, ,,,,,,,,,,隧道截面图 ,,,,,,,,,,的车辆采用磁悬浮方式，由直线电机驱动，设计运行速度为,,, ,,,,，如图,,,、图,,,所示。列车由,节中间车和首尾,节端车组成，横截面为直径,(, ,的环形，车头与车尾为半圆形，长,,, ,，重,,, ,，包括车门、座席、磁悬浮系统、空调设备和安全设备装置。表,,,给出的是,,,,,,,,,,列车的主要技术参数。 图,,,瑞士高速地铁 图,,, ,,,,,,,,,,车辆 西南交通大学硕士研究生学位论文 第, ,页 表,,, ,,,,,,,,,,列车技术参数 列车长度 ,,, , 座席 ,,,个 车体外直径 ,(, , 隧道直径 ,(, , 空车重量 ,,, , 有效载荷 ,,, , 曲线半径 ,,,,(,,,,,? 最短使用寿命 ,,年 造价 ,,,,万法郎 ,,,,,,,,,,系统的车站设在城镇中心，跟城市和地面的运输线连接成网。如图,,,所示，车站分地面和地下两部 分，地面车站主要是检票和候车，地下车站用于旅客乘车，以及备用车辆停放和车辆维修等。地面车站和地下车站由竖井和电梯相连。旅客上车时，首先通过竖井和电梯由地面车站进入地下车站，车站和列车内均处于正常大气压状态，旅客上车后，车门关闭，车内的生命保持系统开始工作，列车停靠于与真空管道相连的过渡舱中，对过渡舱抽真空，直至气压降低至与管道中的真空度相同后，打开过渡舱闸门，列车即可进入真空管道中运行。旅客下车过程与此相反。 一 竖井 车诂 闸瓦室 图,—,瑞士地铁车站示.