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原文传递真空管道交通系统热动力学特性研究

论文题名：	真空管道交通系统热动力学特性研究
关键词：	真空管道;交通系统;热动力学;数值模拟;工艺参数
摘要：	真空管道交通系统兼有列车载荷大和飞机速度快的优点，是未来实现更高经济速度的唯一可行方案。列车在狭长的封闭管道空间内行驶，追求更高经济速度的过程中，系统的空气热动力学问题越来越不容忽视。　　本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法，从阻塞比、列车速度和系统压力这三个重要参数入手，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物体的物理模型和数学模型，利用包含移动网格技术的计算流体热动力学方法，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的空气热动力学问题进行了研究，为真空管道交通系统高效、经济、安全运营提供依据。本文主要工作包括: 　　1.以流体力学和传热学理论为基础，建立了三维可压缩、粘性、不等熵非稳态模型。应用有限体积法，对真空管道内运行的高速列车进行了三维空气热动力学分析。本文详细分析了不同阻塞比(0.23、0.32、0.46、0.57)、不同系统压力(1atm、0.8atm、0.5atm、O.1atm)、不同列车速度（150m/s、200m/s、300m/s、360m/s、400m/s）下，系统内三维流场、压力场和温度场，并探究了其形成机理。计算了车头车尾的压差阻力，分析了列车克服阻力高速运行时的热积聚现象，得到了系统的经济运行参数。　　结果表明:相对列车速度和系统压力，列车前后压差和温度场的变化受阻塞比影响最大，其数值随阻塞比的增加呈指数增长，与列车运行速度的二次方成正比，与系统压力保持线性关系。计算结果还表明:系统内温度场变化在开始运行后的前1000s内变化较为活跃，随后会趋于平缓。因此，随着列车持续运行时间的有限增加，列车表面最高温度将会逐渐接近于某一温度值。　　2.在超音速状态下，运用传热学和流体力学的基本理论，考虑到薄激波层的形成机理和特点，根据可压缩流动的Crocco理论，从熵层的角度出发，沿列车轴线方向分析了真空管道交通系统的热压耦合场现象及特点。结果发现，熵值在车头和车尾的鼻尖处最大，说明此处能量分布最为均匀;在车头位置熵层沿气流外掠车体流线形成的薄激波层环状分布，随着气流向车身流动，速度边界层和温度边界层逐渐稳定，车身附近的熵层转而变成环车身轮廓分布;气流运行至车身后半段时，在车体下方区域出现了一个小范围的低熵熵层;在后车肩截面处，车体周围的熵层呈“帽”状分布，这是因为气流走到了上部环隙空间的终点，所以开始沿车尾流线扩散，在扩散过程中，形成了以车尾流线为轮廓的帽状熵层，这部分熵层中的流速变化大，热量传递快，因而原有的稳定性被破坏，熵值较周围降低。　　3.通过改变阻塞比和车速分析管内热边界层效应和流动阻力特性。在管内压力和列车速度不变的情况下，增加阻塞比，列车相同截面处温度边界层厚度增加，车尾处轴线温度变化相对平缓，车头车尾温差增大;在环隙中心前车肩比后车肩的温度显著增大，车身处也同样如此，因此阻塞比的增大导致真空管道交通系统内热边界层效应增强。　　在管内压力和阻塞比不变的情况下，只改变列车速度，系统各截面中心轴线温度的变化曲线基本相同。车头驻点处温度最小，车尾肩部温度最大，热边界层内的最高温度随着速度的增大显著升高。在列车速度为200m/s时，车尾项部最高温度为343K，随着车速增大到360m/s，车尾顶部最高温度上升到425K，车肩、车身周围温度也都呈现一定幅度的增加。观察温度沿不同轴线的变化情况可知，车尾处温度变化相对平缓，车头车尾温差随速度增大而增大;相比于车速较小时，在环隙中心前车肩比后车肩的温度显著增大，车身处也同样如此，说明速度的增大导致列车上、下边界以及管道内壁热边界层效应增强。
作者：	贾文广
专业：	化工过程机械
导师：	李庆领
授予学位：	博士
授予学位单位：	青岛科技大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文