1. 基本假設(shè)

在膠囊列車運(yùn)行系統(tǒng)中，相比較于整個(gè)列車運(yùn)行的真空管道而言，膠囊列車可視為一個(gè)車長(zhǎng)和車寬之比相對(duì)較大的細(xì)長(zhǎng)物體，并在真空管道內(nèi)做近地懸浮運(yùn)動(dòng)。

膠囊列車在運(yùn)行管道中以較高的速度運(yùn)行時(shí)，管道內(nèi)部的介質(zhì)被膠囊列車排擠壓縮，但是在運(yùn)行管道壁面的約束下，空氣介質(zhì)不能夠像在開(kāi)放的大氣環(huán)境中那樣迅速、便捷的沿列車表面掃掠流散，相反，該部分空氣介質(zhì)在運(yùn)行管道與膠囊列車組成的環(huán)狀間隙中被強(qiáng)烈壓縮，空氣在被高速列車壓縮的整個(gè)過(guò)程中，具有一定相對(duì)速度的高速空氣介質(zhì)與膠囊列車和運(yùn)行管道壁面產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦作用，并且出現(xiàn)生熱和傳熱現(xiàn)象，同時(shí)管道壁面的限制作用將會(huì)對(duì)管道內(nèi)部空氣介質(zhì)的密度、壓力以及列車周圍的流場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響。

這些現(xiàn)象說(shuō)明了運(yùn)行管道內(nèi)的介質(zhì)流動(dòng)是可壓縮的。此外，紊流現(xiàn)象也因膠囊列車與運(yùn)行管道的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起流場(chǎng)強(qiáng)烈的不穩(wěn)定邊界條件而加強(qiáng)，緊貼運(yùn)行管道壁面和膠囊列車外表面的介質(zhì)保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，剩余的介質(zhì)則以不同的速度運(yùn)動(dòng)，因此在同一段時(shí)間內(nèi)，運(yùn)行管道內(nèi)空氣介質(zhì)的流動(dòng)分為紊流、過(guò)度流以及層流這三種狀態(tài)，且膠囊列車周圍流場(chǎng)伴有邊界層分離、尾流的卡門渦街等帶有明顯的分離特點(diǎn)，從而在運(yùn)行管道內(nèi)形成具有一定邊界層分離的瞬態(tài)湍流流動(dòng)。另外，對(duì)于很長(zhǎng)的運(yùn)行管道而言，管道長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其管道直徑，大多數(shù)文獻(xiàn)均用考慮粘性的標(biāo)準(zhǔn)一維非穩(wěn)態(tài) N-S 方程來(lái)計(jì)算隧道內(nèi)的流場(chǎng)。

膠囊列車以較高的運(yùn)行速度在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)所引起的介質(zhì)流動(dòng)是復(fù)雜的瞬態(tài)、可壓縮的、三維湍流流動(dòng)，為了更好的建立膠囊列車運(yùn)行系統(tǒng)的物理模型從而得到相對(duì)更為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，本文在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)基于以下假設(shè)：

（1）膠囊列車超高速運(yùn)行時(shí)流場(chǎng)雷諾數(shù)大于，故流場(chǎng)為湍流流動(dòng)，采用k-ε雙方程湍流模型建立數(shù)學(xué)模型；

（2）膠囊列車超高速運(yùn)行時(shí)馬赫數(shù)大于1，建立數(shù)學(xué)模型時(shí)考慮空氣介質(zhì)的可壓縮性；

（3）忽略了膠囊列車車體外部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，假設(shè)車體為一個(gè)外形光滑并且沒(méi)有其他輔助設(shè)備的幾何體；

（4）為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)膠囊列車按直線路徑行進(jìn)，同時(shí)認(rèn)為膠囊列車運(yùn)行的真空管道壁面光滑，忽略膠囊列車外形、電弓和轉(zhuǎn)向架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不計(jì)輪軌接觸摩擦。

（5）鑒于所建立的三維物理模型劃分的網(wǎng)格數(shù)量巨大，計(jì)算機(jī)配置較低，無(wú)法進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行模擬，本文在研究時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，假設(shè)列車在管道內(nèi)靜止不動(dòng)，空氣介質(zhì)以列車運(yùn)行的速度從管道的一端進(jìn)入，即保持列車與空氣介質(zhì)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不變。

2. 物理模型

數(shù)值計(jì)算是否精確的主要前提條件是幾何形狀是否準(zhǔn)確，本文主要參考了國(guó)內(nèi)與國(guó)外的主流高速列車，包括中國(guó)的 CRH 和諧號(hào)動(dòng)車組、德國(guó) ICE3 型城際特快列車以及日本新干線的“子彈列車”的形狀以及尺寸比例建立幾何模型，表1 為以上幾種參考列車的幾何尺寸。

表1不同列車模型的主要尺寸表


本文所建立的膠囊列車幾何模型如圖1所示，膠囊列車的車身長(zhǎng)度為30m，膠囊列車運(yùn)行管道的直徑為2.23m，膠囊列車車身直徑為1.336m，膠囊列車車頭和車尾的長(zhǎng)度均為2.762m，保證了車頭車尾的形狀為線性（2:1）。關(guān)于車頭和車尾的形狀，因?yàn)檫@是最初的仿真，所以本文在一開(kāi)始選擇了線性（2:1）來(lái)進(jìn)行初始的仿真與分析，方便與后文中其他的車頭車尾形狀以及其他工況進(jìn)行比較與分析。本文對(duì)膠囊列車模型的計(jì)算區(qū)域參考普通列車流場(chǎng)分析時(shí)的設(shè)計(jì)，并根據(jù)具體的仿真需要進(jìn)行了優(yōu)化，膠囊列車頭部位置到右側(cè)編輯入口處的距離為列車車身長(zhǎng)度的15倍，即450m；膠囊列車尾部位置到左側(cè)邊界入口處的距離為膠囊列車車身長(zhǎng)的20倍，即600m。


圖1 二維膠囊列車模型的幾何尺寸與計(jì)算域圖

3. 膠囊列車氣動(dòng)特性分析

通常，車輛的運(yùn)行時(shí)受到的氣動(dòng)阻力是由車輛的形狀和長(zhǎng)度分別構(gòu)成的壓差阻力和黏性阻力組成的。普通的汽車在其行駛時(shí)受到的運(yùn)行總阻力主要取決于壓差阻力，而列車運(yùn)行時(shí)受到的總阻力則主要由非常大的黏性阻力所決定。當(dāng)膠囊列車運(yùn)行管道內(nèi)的環(huán)境壓力不同時(shí)，由于膠囊列車運(yùn)行前方的空氣密度不同，導(dǎo)致膠囊列車運(yùn)行時(shí)的阻力有了相應(yīng)的改變。


圖2 總阻力與空氣壓力的關(guān)系曲線（阻塞比為0.36）

圖2中的線1、線2和線3表明，在膠囊列車的阻塞比為0.36的情況下，膠囊列車的運(yùn)行速度分別為490km/h、890km/h和1220km/h時(shí)，膠囊列車在運(yùn)行時(shí)受到的總阻力隨著管道內(nèi)空氣壓力的增加而呈線性增加，；隨著列車運(yùn)行車速的提高，列車受到的總阻力也在不斷增加。眾所周知，壓差阻力通常與流量密度、列車橫截面積以及行駛速度的平方成正比。在三個(gè)部分中，只有在膠囊列車的橫截面積和膠囊列車運(yùn)行速度是固定的情況下，流量密度才對(duì)膠囊列車運(yùn)行時(shí)的總阻力起著重要的作用。因此，為了實(shí)現(xiàn)膠囊列車在高速運(yùn)行時(shí)總阻力的最小化，應(yīng)盡可能的降低膠囊列車行駛管道內(nèi)的壓力。