真空管道交通系统热压耦合的气动特性研究

发布时间：2019-11-19 18:46

【摘要】：随着经济的不断发展，真空管道交通系统将会成为今后生活的重要工具。目前的工作主要集中在低马赫数下气动阻力场的研究。由于真空管道交通系统是在一个有限空间内超高速状态下运行，列车与系统内空气介质之间产生剧烈摩擦同时也会产生大量的气动热，且气动热与气动压力之间相互耦合，这些热量的生成和扩散不仅影响系统内设备的使用寿命，而且严重威胁系统的安全快速高效运营。从阻塞比、列车速度和管内压力三个参数入手，利用理论分析和数值计算相结合的方法，综合考虑系统的热压耦合作用，建立在热压耦合作用下的高速直线运动列车的物理模型和数学模型，出于对系统安全运营，旅客舒适度、运行效率、建设成本和运营成本等诸多因素的考虑，对真空管道交通系统超音速运行时热压耦合下的气动特性问题进行了研究，并对该系统的热经济性进行了初步探讨，为真空管道交通系统快速、经济、安全运行提供依据。以传热学和流体力学理论为基础，建立了三维、可压缩、粘性、不定常非稳态模型。采用有限元体积法，利用Fluent软件对所建模型进行模拟。数值模拟了车速为400m/s、450m/s、500m/s，管内压力为1atm、0.1atm、0.5atm条件下，阻塞比分别为0.18、0.23、0.32时系统所产生的压力场及温度场，重点分析了压力场和温度场随阻塞比、管内压力和速度的变化规律。研究表明：在列车速度和管内压力一定时，压差阻力随阻塞比呈线性增加，系统的气动热则呈抛物线式递增；在列车速度和阻塞比一定时，随着管内压力的不断增大，压差阻力呈线性增大。在管内压力较小时，所受到的压差阻力明显较低，列车维持一定的速度运行，在真空管道交通系统中所受到的牵引力明显较低，运行更经济，系统最高温度随管内压力的降低出现一定幅度的增大；在管内压力和阻塞比一定时，压差阻力随着列车速度的增大趋势近似抛物线式，并且与速度的二次方成正比，系统的最高温度呈线性增大。选择最佳阻塞比时，必须同时考虑到管道建设的经济性与系统的能耗，而建立真空管道交通系统时，不能盲目地降低管内压力，应结合温压关系选择合适的管内压力。基于热经济学理论，对该系统运行的热经济性进行了计算分析。主要考虑了气动阻力和维持真空两方面的能耗。通过对模拟出的数据进行分析得出在敞开的大气环境中运行的列车其能耗量相当于真空管道交通系统的2倍，意味着相同的能耗下，真空管道交通系统的速度远大于大气环境中运行的列车的速度。
【图文】：

真空管道,交通系统

速度可达 2500km/h。由此可知，阻碍地面交通工具运行速度提升的关键因素动阻力。可以预测，如果能够改变列车运行的空气环境，即有效地减少空气，降低环境压力，在目前现有技术的支持下，不仅可以保证列车的经济运营能突破当前的速度瓶颈，让火车成为路面疾驰的“飞机”。稠密的地表大气环境严重制约着地面交通工具的运行速度，因此，改变空质的密度，创造类似高空的低气压环境可以从根本上解决这一难题。架设密真空管道，并在不同的间隔处安装真空泵，将管内抽成一定的真空，降低管空气的密度，减少列车运行时所受到的气动阻力，从而大大提高列车的运行。因此，速度快、能耗低、噪音小和零废气污染的新型交通运输方式——真道交通系统就此诞生，该设想最早由现代火箭之父罗伯特戈达德在麻省理院的开学典礼上提出，，全称 Evacuated Tube Transportation，简称 ETT[4-7]。E统的基本设想如图 1-1 所示：将密闭的管道抽成一定的真空，并将磁悬浮系置其中，列车摆脱了轮轨间机械阻力的束缚，并且真空中的气动阻力大大降时避免了恶劣气候条件的影响，在真空管道中磁悬浮列车可以在超音速状态行[8]。

真空管道,列车空气动力学,交通系统,研究生学位论文

青岛科技大学研究生学位论文真空管道运输系统作为未来新兴的交通运输方式，由于其在技术与经济基础上受到的一定限制，国内外对真空管道交通系统空气动力学问题研究很少，对于列车在管道内运行时所产生的气动热问题的研究则完全没有展开。现阶段只有国外的两种真空管道交通系统被人们所了解，他们分别是美国的 ETT 系统和瑞士的超高速地铁(Swiss metro)系统。美国 ETT 系统只是对系统本身进行了整体构思，并没有深入研究其列车空气动力学问题。瑞士 Swissmetro 工程研究[30]虽然涉及了高速列车在管道内运行时所产生复杂的空气动力学问题，但是该研究仅仅局限于管内压力为 0.1atm，列车运行马赫数小于 1 的列车空气动力学问题。1.2.1 美国的 ETT 系统历经数年锲而不舍的研究和不断的更新设计，1999 年美国工程师 Daryl Ost终于获得了关于 ETT 系统的发明专利(美国专利号：5950543)[8]。同年，在弗罗里达州成立了名为 et3.com 的公司，更好的进行 ETT 研究与开发工作。ETT 系统如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U171

【参考文献】