陳大偉, 蘭永霞, 張司薇, 高紅霞, 朱克勇, 劉 猛
(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司工程實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266111; 2.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100191)
低真空管道高溫超導(dǎo)磁浮系統(tǒng)通過實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)的低氣壓創(chuàng)造一個(gè)低密度的運(yùn)行環(huán)境,使高速列車掙脫稠密大氣層的束縛,減小氣動(dòng)阻力與氣動(dòng)噪音等對列車與環(huán)境的影響,同時(shí)列車在低阻力的環(huán)境中運(yùn)行也能降低能耗;而高速磁浮技術(shù)的應(yīng)用能突破傳統(tǒng)列車的輪軌黏著、蛇形失穩(wěn)和弓網(wǎng)受流等限制,使得實(shí)現(xiàn)超高速的管道運(yùn)輸成為可能[1]。然而,磁浮列車高速行駛在密閉的管道時(shí),又會帶來許多新的氣動(dòng)問題。如果氣壓及阻塞比等參數(shù)選擇不當(dāng),容易產(chǎn)生嚴(yán)重的壅塞現(xiàn)象,會加劇列車所受的氣動(dòng)阻力[2]。近年來,國內(nèi)外不少學(xué)者對真空管道列車氣動(dòng)性能開展研究。針對列車氣動(dòng)阻力隨阻塞比、列車運(yùn)行速度和真空度之間的變化關(guān)系,陳大偉等人[3-6]基于定??蓧嚎sNaiver-Stokes方程研究了管道大氣壓、阻塞比、列車運(yùn)行速度對列車氣動(dòng)阻力的影響;米百剛等人[7-9]利用Fluent仿真軟件,結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格相關(guān)技術(shù)研究了二維模型列車非定常氣動(dòng)特性;王博等人[10]研究了高溫超導(dǎo)真空管道磁懸浮車的氣動(dòng)特性,建議增加旁通管道等方式來緩解管道內(nèi)微氣壓波;M.M.J.OPGENOORD等人[11-12]分別對超級高鐵(Hyperloop)無壓縮機(jī)的車輛進(jìn)行了外形設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬,為管道內(nèi)部飛行器提供良好的抬升力與較低的阻力,但是研究的僅僅是長度較短的飛行器;ZHOU P等人[13-15]針對二維對稱模型研究了管道內(nèi)部的激波與熱分布,得到基于列車左右兩側(cè)對稱情況下的流場等特性?;诖?本文建立了單車運(yùn)行和兩車交匯的真空管道交通系統(tǒng)模型,通過Fluent湍流模型和重疊網(wǎng)格劃分技術(shù),分析了真空管道高速列車系統(tǒng)中管道壓力分布及壓力場的變化規(guī)律。本研究為真空管道高速列車系統(tǒng)中管道壓力設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
在傳統(tǒng)高速列車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬中,根據(jù)列車與風(fēng)的相互作用原理,采用傳統(tǒng)風(fēng)洞的方式吹風(fēng),可以等效為列車的運(yùn)動(dòng),有效地節(jié)約了瞬態(tài)數(shù)值模擬的計(jì)算成本。然而,在真空管道中,列車與管道形成了一種近似收斂—擴(kuò)張進(jìn)氣道,當(dāng)空氣來流與阻塞比達(dá)到特定的匹配關(guān)系時(shí),會發(fā)生管道壅塞現(xiàn)象,導(dǎo)致風(fēng)洞式來流速度受到影響,也是常規(guī)的相互作用仿真不準(zhǔn)確的原因[11]?;诖?本文建立二維亞音速真空管道列車數(shù)值模型,結(jié)合重疊網(wǎng)格技術(shù),對真空管道列車運(yùn)行時(shí)引起的壓力場變化進(jìn)行研究。
控制方程采用二維積分形式的非定常雷諾平均N-S方程[16]。
(1)
式中,V為任意控制域;W為守恒變量;F為無粘(對流)通矢量項(xiàng);Fv為粘性通量;?V為控制域的邊界;n為控制域邊界單位外法向矢量;Re為計(jì)算的雷諾數(shù)。
空間離散采用二階迎風(fēng)格式——通量差分分裂(Roe-FDS)格式[8],時(shí)間離散采用LU-SGS隱式時(shí)間推進(jìn)格式,應(yīng)用當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長、殘值光順、預(yù)處理和多重網(wǎng)格加速收斂,對于粘性流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算,需采用湍流模型對NS方程進(jìn)行封閉。本文采用的湍流模型為SSTk-ω湍流模型[17-19],該模型克服了標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型對自由流參數(shù)變化比較敏感的缺點(diǎn),在近壁面附近采用k-ω湍流模型,在遠(yuǎn)離壁面的流場中采用目前廣為應(yīng)用的k-ε湍流模型,充分利用k-ω湍流模型對逆壓梯度流動(dòng)具有較高模擬精度,對湍流初始參數(shù)不敏感的優(yōu)點(diǎn)。
列車模型如圖1所示。列車模型采用整車長100 m,首尾采用流線型過度,列車高4.2 m,列車底部距離管道2 m。計(jì)算域模型如圖2所示。真空管道與列車的阻塞比為0.2,管道截面積為80 m2,管道的直徑為5.04 m,管道長度為500 m,重疊網(wǎng)格最前方距離管道出口為356 m。
圖1 列車模型
圖2 計(jì)算域模型
重疊網(wǎng)格技術(shù)可有效且快速地捕捉列車周圍氣流的動(dòng)態(tài)特性,故采用重疊網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行模擬[20]。在列車周圍生成重疊網(wǎng)格,管道由另一種網(wǎng)格覆蓋,也就是背景網(wǎng)格,列車周圍的重疊網(wǎng)格會完全嵌入背景網(wǎng)格,2個(gè)網(wǎng)格之間的信息交互通過線性插值算法完成,通過重疊網(wǎng)格的移動(dòng)完成列車的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在列車表面進(jìn)行邊界層的加密,利用y+=1值計(jì)算第一層網(wǎng)格高度為6 mm,為了保證網(wǎng)格有良好的過渡,設(shè)置延展率1.2,共計(jì)15層,列車表面邊界層總網(wǎng)格高度432 mm,整體網(wǎng)格數(shù)量為10萬,網(wǎng)格劃分如圖3所示。
圖3 網(wǎng)格劃分
管道頂部與底邊均采用無滑移壁面處理[21],入口與出口邊界條件采用模擬無限遠(yuǎn)管道長度的自由流邊界條件,重疊網(wǎng)格區(qū)域運(yùn)行速度對應(yīng)真空管道列車運(yùn)行速度。管道內(nèi)部環(huán)境壓力為1.01×103Pa,氣體黏度滿足Surtherland定律。為了更好地捕捉列車表面與管道內(nèi)壁的剪切特性,湍流模型采用SSTk-ω湍流模型。耦合隱式時(shí)間步長為0.01,瞬態(tài)計(jì)算總時(shí)長為0.82 s。
根據(jù)上述模型及計(jì)算方法,考慮到不同工況下的真空管道內(nèi)壓力分布,網(wǎng)格劃分如圖3所示。網(wǎng)格劃分主要包括不同的管道面積(60 m2和80 m2)、不同列車運(yùn)行速度(600 km/h、800 km/h和1 000 km/h)和不同的真空管道壓力(1.01×103Pa和1.01×104Pa)。不同工況下真空管道內(nèi)壓力變化云圖如圖4所示。
圖4 不同工況下真空管道內(nèi)壓力變化云圖
1) 不同的管道截面積。圖4中1和2是不同截面積影響壓力變化的對比。從壓力云圖可以看出,隨著管道截面積的減小,阻塞比增大,管道的壅塞現(xiàn)象更明顯,壅塞影響區(qū)域更大,同時(shí)列車頭部1的壓力比2的壓力小,截面積減小,導(dǎo)致管內(nèi)的壓力升高。
2) 不同的列車運(yùn)行速度。圖4中1、3和4是不同速度影響壓力變化的對比。從壓力云圖可以看出,隨著列車運(yùn)行速度的增加,列車頭部的管道內(nèi)壓力逐漸升高,同時(shí)尾部的激波現(xiàn)象越來越明顯,運(yùn)行速度為600 km/h的工況下,已經(jīng)看不到激波的產(chǎn)生,列車尾部壓力變化平緩。
3) 不同的管道真空度。圖4中1和5是不同管道真空度影響壓力變化的對比。從壓力云圖可以看出,保持列車運(yùn)行速度和管道截面積不變的情況下,管道真空度的改變對整體的管道壓力分布沒有太大影響,包括壅塞的影響區(qū)域以及尾部的激波形狀。
通過CFD計(jì)算,提取不同位置列車表面壓力分布情況,列車運(yùn)行速度和管道截面積對列車表面壓力分布的影響如圖5所示。
圖5 列車運(yùn)行速度和管道截面積對列車表面壓力分布的影響
1) 不同的列車運(yùn)行速度。隨著列車運(yùn)行速度的增加,列車表面的壓力整體逐漸增大,且不同速度下的壓力沿列車表面的分布情況相同,頭部壓力高,尾部壓力低,與其它2個(gè)速度相比,列車運(yùn)行速度為600 km/h時(shí),尾部壓力變化更緩和,沒有壓力的突降,這是因?yàn)槲串a(chǎn)生激波。
2) 不同的管道截面積。由圖5(b)可以看出,管道截面積的變化對列車表面的壓力分布影響不大,因此可以不用考慮對壓力的變化帶來的影響。
3) 不同的管道真空度。由于不同管內(nèi)壓力下的列車的表面壓力分布比例變化太大,因此對于不同真空的列車表面壓力變化情況單獨(dú)考慮,觀察其規(guī)律變化情況。管道真空度對列車表面壓力分布的影響如圖6所示。由圖6可以看出,不同壓力對整體列車表面的分布情況基本沒有太大改變。
圖6 管道真空度對列車表面壓力分布的影響
1) 雙車交匯模型。兩車交匯時(shí)主要面對俯視視角,因此,列車外形采用寬度作為橫向長度,具體尺寸為管道截面積100 m2,總長500 m,2輛列車總長127.5 m,列車寬3.7 m,雙車交匯幾何模型如圖7所示??刂品匠獭⑼牧髂P?、邊界條件和網(wǎng)格劃分與單車運(yùn)行時(shí)基本一致,重疊網(wǎng)格區(qū)域運(yùn)行速度對應(yīng)真空管道列車運(yùn)行速度,左側(cè)的車向右行駛,右側(cè)車向左行駛,雙車交會。雙車交匯網(wǎng)格劃分如圖8所示。
圖7 雙車交匯幾何模型
圖8 雙車交匯網(wǎng)格劃分
2) 雙車交匯仿真分析。雙車交匯壓力場云圖如圖9所示。由圖9可以看出,隨著兩車交匯,列車頭部的壓力先升高再降低,兩車交匯時(shí)達(dá)到最大值。這是由于兩車前方的高壓氣體相互擠壓的原因,這部分空氣由于管道的尺寸限制,壓縮在一起壓力更大。
圖9 雙車交匯壓力場云圖
兩車交匯時(shí)兩輛列車表面壓力變化情況如圖10所示。
圖10 兩車交匯時(shí)兩輛列車表面最大壓力變化情況
由圖10可以看出,兩車交匯時(shí),真空管道內(nèi)壓力分布變化較大,壓力變化率最大達(dá)到了110 kPa/s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了限定標(biāo)準(zhǔn)值,管道內(nèi)的壓力波動(dòng)也會影響到列車內(nèi)部的壓力波動(dòng),影響乘客的生命安全。因此,雙線運(yùn)行管道中的列車需要對車廂內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行額外設(shè)計(jì),考慮兩車交匯時(shí)真空管道內(nèi)壓力劇烈變化的情況,減小會車時(shí)車廂內(nèi)的壓力波動(dòng)。
本文采用Fluent湍流模型和重疊網(wǎng)格劃分技術(shù),研究了高速列車運(yùn)行對真空管道壓力分布的變化規(guī)律,探討了列車運(yùn)行速度、管道阻塞比和管道真空度對真空管道壓力分布的影響。列車運(yùn)行速度和阻塞比對真空管道內(nèi)壓力分布影響較大,管道真空度影響較小;列車運(yùn)行速度對列車表面壓力分布影響較大,阻塞比和管道真空度影響較小;兩車交匯時(shí),真空管道內(nèi)壓力分布變化較大,最大達(dá)到110 kPa/s。影響列車內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng),需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮兩車交匯時(shí)真空管道內(nèi)壓力的劇烈變化情況。真空管道高速列車系統(tǒng)中管道壓力分布影響列車運(yùn)行氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)噪聲等問題,同時(shí)對于高速列車內(nèi)部的壓力控制也有重要影響。本研究為真空管道高速列車系統(tǒng)中管道壓力設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。