针对低真空管道磁浮系统结构参数设计存在的问题和不足,提出了一种基于正交理论和流体力学仿真相结合的参数设计方法,采用多因素正交试验方法,以列车气动阻力为评价指标,研究阻塞比、管道压力和运行速度对列车气动阻力的影响趋势,并采用极差分析和方差分析,确定各因素影响的主次顺序以及不同因素对列车气动阻力影响的显著性,获得最佳参数方案。试验结果表明:阻塞比对列车气动阻力的影响程度最大,管道压力的影响程度最小,且阻塞比和运行速度对列车气动阻力的影响最显著,管道压力不显著,获得较优的方案为阻塞比取0.1、运行速度取600 km/h、管道压力取700 Pa,优化结果将为低真空管道磁浮系统设计提供理论依据。

采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法,研究A型地铁列车在隧道内加减速时车体表面压力变化和车内压力变化,分析隧道净空面积与密封指数的关系,并采用动模型实验验证数值计算准确性。研究结果表明:列车在隧道内运行时,随着阻塞比的减小,测点压力幅值随之减小,主要体现在对正峰值的影响,压力变化规律基本一致;阻塞比越小,列车表面压力幅值随列车长度方向的变化趋势越平缓;列车以匀速、减速和加速3种方式运行,隧道断面为22 m2时,根据美国标准列车气密性需分别大于6,3和6 s,根据国内标准需分别大于10,6和10 s;隧道净空面积小于35 m2时,根据美国标准列车气密性需分别大于2,0.7和1.5 s,根据国内标准需分别大于3,0.4和1.5 s。

研究目的随着列车运行速度的提高,气动阻力逐渐成为行车的主要能耗,而列车在隧道内运行时,气动阻力能耗增加更为显著。本文采用三维数值模拟方法,基于LES紊流模型,对CRH3型列车的气动阻力特性开展研究。研究结论(1)对列车在明线运行时的气动阻力系数进行分析,并与日本列车测试结果比较,验证了计算结果的可信性;(2)分析得到了在不同阻塞比情况下,列车在隧道内运行的气动阻力系数,回归确定了列车气动阻力系数与隧道阻塞比服从指数函数关系,并给出了气动阻力系数预测公式;(3)将所得公式应用于对双车头列车在隧道运行的气动阻力系数预测以及真空管道等气动阻力参数设计,验证了其可信性和实用性;(4)本研究成果可为列车隧道气动阻力系数相关的分析、设计提供指导。

为解决真空管道磁浮系统气动热问题,研究管道内气动热分布特性至关重要。以某高速磁浮列车为研究对象,基于Sutherland黏性公式及SST k-ω湍流模型,数值仿真了三维可压缩亚声速真空管道磁浮系统的气动特性及气动热效应,考虑的阻塞比范围为0.1~0.4、列车运行速度为600~1 000 km/h,研究了列车表面温度分布、列车尾部温度分布及管道激波的传播规律。研究结果表明不同工况下头车与中间车表面温度变化呈缓慢下降趋势,由于尾部激波产生而造成尾车表面温度上升明显,且升高幅值随速度与阻塞比增大而增加。在壅塞状态下,尾车鼻尖处最高温度与阻塞比及速度基本呈线性关系。尾车流线型顶部与悬浮间隙处均有激波产生,管道内激波具有典型的三维特性和周期性,在轨道与管道表面之间反射的激波簇形成尾部低温与列车后方高低温交替特性。

基于可压缩Naiver-Stokes方程，研究了低真空管道条件下管道面积、管道压力对磁浮列车气动特性的影响。研究结果表明:磁浮列车在低真空环境和明线运行环境下流场具有相似性，列车与管道之间的环状空间类似于拉瓦尔喷管，具有膨胀加速或压缩减速的流动特性，磁浮列车速度达到临界速度时，磁浮列车尾部会出现激波。磁浮列车的气动力随着管道面积的减小而增大，磁浮列车尾部出现激波后，尾车的气动力会剧增。磁浮列车的气动力系数随着管道压力的增加下降，但管道压力变化大时，导致雷诺数变化大，从而列车的气动力系数有较大不同。