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胶囊列车气动特性仿真与分析
2020-05-23 23:11:53· 来源：中汽中心空气动力学实验室
1. 基本假设在胶囊列车运行系统中，相比较于整个列车运行的真空管道而言，胶囊列车可视为一个车长和车宽之比相对较大的细长物体，并在真空管道内做近地悬浮运动
1. 基本假设
在胶囊列车运行系统中，相比较于整个列车运行的真空管道而言，胶囊列车可视为一个车长和车宽之比相对较大的细长物体，并在真空管道内做近地悬浮运动。
胶囊列车在运行管道中以较高的速度运行时，管道内部的介质被胶囊列车排挤压缩，但是在运行管道壁面的约束下，空气介质不能够像在开放的大气环境中那样迅速、便捷的沿列车表面扫掠流散，相反，该部分空气介质在运行管道与胶囊列车组成的环状间隙中被强烈压缩，空气在被高速列车压缩的整个过程中，具有一定相对速度的高速空气介质与胶囊列车和运行管道壁面产生强烈的摩擦作用，并且出现生热和传热现象，同时管道壁面的限制作用将会对管道内部空气介质的密度、压力以及列车周围的流场产生一定的影响。
这些现象说明了运行管道内的介质流动是可压缩的。此外，紊流现象也因胶囊列车与运行管道的相对运动引起流场强烈的不稳定边界条件而加强，紧贴运行管道壁面和胶囊列车外表面的介质保持相对静止状态，剩余的介质则以不同的速度运动，因此在同一段时间内，运行管道内空气介质的流动分为紊流、过度流以及层流这三种状态，且胶囊列车周围流场伴有边界层分离、尾流的卡门涡街等带有明显的分离特点，从而在运行管道内形成具有一定边界层分离的瞬态湍流流动。另外，对于很长的运行管道而言，管道长度远远大于其管道直径，大多数文献均用考虑粘性的标准一维非稳态 N-S 方程来计算隧道内的流场。
胶囊列车以较高的运行速度在管道内运行时所引起的介质流动是复杂的瞬态、可压缩的、三维湍流流动，为了更好的建立胶囊列车运行系统的物理模型从而得到相对更为准确的模拟结果，本文在进行数值计算时基于以下假设：
（1）胶囊列车超高速运行时流场雷诺数大于，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）胶囊列车超高速运行时马赫数大于1，建立数学模型时考虑空气介质的可压缩性；
（3）忽略了胶囊列车车体外部的复杂结构，假设车体为一个外形光滑并且没有其他辅助设备的几何体；
（4）为简化计算，假设胶囊列车按直线路径行进，同时认为胶囊列车运行的真空管道壁面光滑，忽略胶囊列车外形、电弓和转向架等复杂结构，不计轮轨接触摩擦。
（5）鉴于所建立的三维物理模型划分的网格数量巨大，计算机配置较低，无法进行动网格技术进行模拟，本文在研究时进行了简化处理，假设列车在管道内静止不动，空气介质以列车运行的速度从管道的一端进入，即保持列车与空气介质间的相对运动速度不变。
2. 物理模型
数值计算是否精确的主要前提条件是几何形状是否准确，本文主要参考了国内与国外的主流高速列车，包括中国的 CRH 和谐号动车组、德国 ICE3 型城际特快列车以及日本新干线的“子弹列车”的形状以及尺寸比例建立几何模型，表1 为以上几种参考列车的几何尺寸。
表1不同列车模型的主要尺寸表
本文所建立的胶囊列车几何模型如图1所示，胶囊列车的车身长度为30m，胶囊列车运行管道的直径为2.23m，胶囊列车车身直径为1.336m，胶囊列车车头和车尾的长度均为2.762m，保证了车头车尾的形状为线性（2:1）。关于车头和车尾的形状，因为这是最初的仿真，所以本文在一开始选择了线性（2:1）来进行初始的仿真与分析，方便与后文中其他的车头车尾形状以及其他工况进行比较与分析。本文对胶囊列车模型的计算区域参考普通列车流场分析时的设计，并根据具体的仿真需要进行了优化，胶囊列车头部位置到右侧编辑入口处的距离为列车车身长度的15倍，即450m；胶囊列车尾部位置到左侧边界入口处的距离为胶囊列车车身长的20倍，即600m。
图1 二维胶囊列车模型的几何尺寸与计算域图
3. 胶囊列车气动特性分析
通常，车辆的运行时受到的气动阻力是由车辆的形状和长度分别构成的压差阻力和黏性阻力组成的。普通的汽车在其行驶时受到的运行总阻力主要取决于压差阻力，而列车运行时受到的总阻力则主要由非常大的黏性阻力所决定。当胶囊列车运行管道内的环境压力不同时，由于胶囊列车运行前方的空气密度不同，导致胶囊列车运行时的阻力有了相应的改变。
图2 总阻力与空气压力的关系曲线（阻塞比为0.36）
图2中的线1、线2和线3表明，在胶囊列车的阻塞比为0.36的情况下，胶囊列车的运行速度分别为490km/h、890km/h和1220km/h时，胶囊列车在运行时受到的总阻力随着管道内空气压力的增加而呈线性增加，；随着列车运行车速的提高，列车受到的总阻力也在不断增加。众所周知，压差阻力通常与流量密度、列车横截面积以及行驶速度的平方成正比。在三个部分中，只有在胶囊列车的横截面积和胶囊列车运行速度是固定的情况下，流量密度才对胶囊列车运行时的总阻力起着重要的作用。因此，为了实现胶囊列车在高速运行时总阻力的最小化，应尽可能的降低胶囊列车行驶管道内的压力。
在胶囊列车运行系统中，相比较于整个列车运行的真空管道而言，胶囊列车可视为一个车长和车宽之比相对较大的细长物体，并在真空管道内做近地悬浮运动。
胶囊列车在运行管道中以较高的速度运行时，管道内部的介质被胶囊列车排挤压缩，但是在运行管道壁面的约束下，空气介质不能够像在开放的大气环境中那样迅速、便捷的沿列车表面扫掠流散，相反，该部分空气介质在运行管道与胶囊列车组成的环状间隙中被强烈压缩，空气在被高速列车压缩的整个过程中，具有一定相对速度的高速空气介质与胶囊列车和运行管道壁面产生强烈的摩擦作用，并且出现生热和传热现象，同时管道壁面的限制作用将会对管道内部空气介质的密度、压力以及列车周围的流场产生一定的影响。
这些现象说明了运行管道内的介质流动是可压缩的。此外，紊流现象也因胶囊列车与运行管道的相对运动引起流场强烈的不稳定边界条件而加强，紧贴运行管道壁面和胶囊列车外表面的介质保持相对静止状态，剩余的介质则以不同的速度运动，因此在同一段时间内，运行管道内空气介质的流动分为紊流、过度流以及层流这三种状态，且胶囊列车周围流场伴有边界层分离、尾流的卡门涡街等带有明显的分离特点，从而在运行管道内形成具有一定边界层分离的瞬态湍流流动。另外，对于很长的运行管道而言，管道长度远远大于其管道直径，大多数文献均用考虑粘性的标准一维非稳态 N-S 方程来计算隧道内的流场。
胶囊列车以较高的运行速度在管道内运行时所引起的介质流动是复杂的瞬态、可压缩的、三维湍流流动，为了更好的建立胶囊列车运行系统的物理模型从而得到相对更为准确的模拟结果，本文在进行数值计算时基于以下假设：
（1）胶囊列车超高速运行时流场雷诺数大于，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）胶囊列车超高速运行时马赫数大于1，建立数学模型时考虑空气介质的可压缩性；
（3）忽略了胶囊列车车体外部的复杂结构，假设车体为一个外形光滑并且没有其他辅助设备的几何体；
（4）为简化计算，假设胶囊列车按直线路径行进，同时认为胶囊列车运行的真空管道壁面光滑，忽略胶囊列车外形、电弓和转向架等复杂结构，不计轮轨接触摩擦。
（5）鉴于所建立的三维物理模型划分的网格数量巨大，计算机配置较低，无法进行动网格技术进行模拟，本文在研究时进行了简化处理，假设列车在管道内静止不动，空气介质以列车运行的速度从管道的一端进入，即保持列车与空气介质间的相对运动速度不变。
2. 物理模型
数值计算是否精确的主要前提条件是几何形状是否准确，本文主要参考了国内与国外的主流高速列车，包括中国的 CRH 和谐号动车组、德国 ICE3 型城际特快列车以及日本新干线的“子弹列车”的形状以及尺寸比例建立几何模型，表1 为以上几种参考列车的几何尺寸。
表1不同列车模型的主要尺寸表
本文所建立的胶囊列车几何模型如图1所示，胶囊列车的车身长度为30m，胶囊列车运行管道的直径为2.23m，胶囊列车车身直径为1.336m，胶囊列车车头和车尾的长度均为2.762m，保证了车头车尾的形状为线性（2:1）。关于车头和车尾的形状，因为这是最初的仿真，所以本文在一开始选择了线性（2:1）来进行初始的仿真与分析，方便与后文中其他的车头车尾形状以及其他工况进行比较与分析。本文对胶囊列车模型的计算区域参考普通列车流场分析时的设计，并根据具体的仿真需要进行了优化，胶囊列车头部位置到右侧编辑入口处的距离为列车车身长度的15倍，即450m；胶囊列车尾部位置到左侧边界入口处的距离为胶囊列车车身长的20倍，即600m。
图1 二维胶囊列车模型的几何尺寸与计算域图
3. 胶囊列车气动特性分析
通常，车辆的运行时受到的气动阻力是由车辆的形状和长度分别构成的压差阻力和黏性阻力组成的。普通的汽车在其行驶时受到的运行总阻力主要取决于压差阻力，而列车运行时受到的总阻力则主要由非常大的黏性阻力所决定。当胶囊列车运行管道内的环境压力不同时，由于胶囊列车运行前方的空气密度不同，导致胶囊列车运行时的阻力有了相应的改变。
图2 总阻力与空气压力的关系曲线（阻塞比为0.36）
图2中的线1、线2和线3表明，在胶囊列车的阻塞比为0.36的情况下，胶囊列车的运行速度分别为490km/h、890km/h和1220km/h时，胶囊列车在运行时受到的总阻力随着管道内空气压力的增加而呈线性增加，；随着列车运行车速的提高，列车受到的总阻力也在不断增加。众所周知，压差阻力通常与流量密度、列车横截面积以及行驶速度的平方成正比。在三个部分中，只有在胶囊列车的横截面积和胶囊列车运行速度是固定的情况下，流量密度才对胶囊列车运行时的总阻力起着重要的作用。因此，为了实现胶囊列车在高速运行时总阻力的最小化，应尽可能的降低胶囊列车行驶管道内的压力。
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