【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，真空管道交通系統(tǒng)將會成為今后生活的重要工具。目前的工作主要集中在低馬赫數(shù)下氣動阻力場的研究。由于真空管道交通系統(tǒng)是在一個(gè)有限空間內(nèi)超高速狀態(tài)下運(yùn)行，列車與系統(tǒng)內(nèi)空氣介質(zhì)之間產(chǎn)生劇烈摩擦同時(shí)也會產(chǎn)生大量的氣動熱，且氣動熱與氣動壓力之間相互耦合，這些熱量的生成和擴(kuò)散不僅影響系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的使用壽命，而且嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全快速高效運(yùn)營。 從阻塞比、列車速度和管內(nèi)壓力三個(gè)參數(shù)入手，利用理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，綜合考慮系統(tǒng)的熱壓耦合作用，建立在熱壓耦合作用下的高速直線運(yùn)動列車的物理模型和數(shù)學(xué)模型，出于對系統(tǒng)安全運(yùn)營，旅客舒適度、運(yùn)行效率、建設(shè)成本和運(yùn)營成本等諸多因素的考慮，對真空管道交通系統(tǒng)超音速運(yùn)行時(shí)熱壓耦合下的氣動特性問題進(jìn)行了研究，并對該系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了初步探討，為真空管道交通系統(tǒng)快速、經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行提供依據(jù)。 以傳熱學(xué)和流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立了三維、可壓縮、粘性、不定常非穩(wěn)態(tài)模型。采用有限元體積法，利用Fluent軟件對所建模型進(jìn)行模擬。數(shù)值模擬了車速為400m/s、450m/s、500m/s，管內(nèi)壓力為1atm、0.1atm、0.5atm條件下，阻塞比分別為0.18、0.23、0.32時(shí)系統(tǒng)所產(chǎn)生的壓力場及溫度場，重點(diǎn)分析了壓力場和溫度場隨阻塞比、管內(nèi)壓力和速度的變化規(guī)律。研究表明：在列車速度和管內(nèi)壓力一定時(shí)，壓差阻力隨阻塞比呈線性增加，系統(tǒng)的氣動熱則呈拋物線式遞增；在列車速度和阻塞比一定時(shí)，隨著管內(nèi)壓力的不斷增大，壓差阻力呈線性增大。在管內(nèi)壓力較小時(shí)，所受到的壓差阻力明顯較低，列車維持一定的速度運(yùn)行，在真空管道交通系統(tǒng)中所受到的牽引力明顯較低，運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)，系統(tǒng)最高溫度隨管內(nèi)壓力的降低出現(xiàn)一定幅度的增大；在管內(nèi)壓力和阻塞比一定時(shí)，壓差阻力隨著列車速度的增大趨勢近似拋物線式，并且與速度的二次方成正比，系統(tǒng)的最高溫度呈線性增大。選擇最佳阻塞比時(shí)，必須同時(shí)考慮到管道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與系統(tǒng)的能耗，而建立真空管道交通系統(tǒng)時(shí)，不能盲目地降低管內(nèi)壓力，應(yīng)結(jié)合溫壓關(guān)系選擇合適的管內(nèi)壓力。 基于熱經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，對該系統(tǒng)運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了計(jì)算分析。主要考慮了氣動阻力和維持真空兩方面的能耗。通過對模擬出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出在敞開的大氣環(huán)境中運(yùn)行的列車其能耗量相當(dāng)于真空管道交通系統(tǒng)的2倍，意味著相同的能耗下，真空管道交通系統(tǒng)的速度遠(yuǎn)大于大氣環(huán)境中運(yùn)行的列車的速度。
【圖文】：

速度可達(dá) 2500km/h。由此可知，阻礙地面交通工具運(yùn)行速度提升的關(guān)鍵因素動阻力�？梢灶A(yù)測，如果能夠改變列車運(yùn)行的空氣環(huán)境，即有效地減少空氣，降低環(huán)境壓力，在目前現(xiàn)有技術(shù)的支持下，不僅可以保證列車的經(jīng)濟(jì)運(yùn)營能突破當(dāng)前的速度瓶頸，讓火車成為路面疾馳的“飛機(jī)”。稠密的地表大氣環(huán)境嚴(yán)重制約著地面交通工具的運(yùn)行速度，因此，改變空質(zhì)的密度，創(chuàng)造類似高空的低氣壓環(huán)境可以從根本上解決這一難題。架設(shè)密真空管道，并在不同的間隔處安裝真空泵，將管內(nèi)抽成一定的真空，降低管空氣的密度，減少列車運(yùn)行時(shí)所受到的氣動阻力，從而大大提高列車的運(yùn)行。因此，速度快、能耗低、噪音小和零廢氣污染的新型交通運(yùn)輸方式——真道交通系統(tǒng)就此誕生，該設(shè)想最早由現(xiàn)代火箭之父羅伯特 戈達(dá)德在麻省理院的開學(xué)典禮上提出，，全稱 Evacuated Tube Transportation，簡稱 ETT[4-7]。E統(tǒng)的基本設(shè)想如圖 1-1 所示：將密閉的管道抽成一定的真空，并將磁懸浮系置其中，列車擺脫了輪軌間機(jī)械阻力的束縛，并且真空中的氣動阻力大大降時(shí)避免了惡劣氣候條件的影響，在真空管道中磁懸浮列車可以在超音速狀態(tài)行[8]。

青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)作為未來新興的交通運(yùn)輸方式，由于其在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)上受到的一定限制，國內(nèi)外對真空管道交通系統(tǒng)空氣動力學(xué)問題研究很少，對于列車在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的氣動熱問題的研究則完全沒有展開�，F(xiàn)階段只有國外的兩種真空管道交通系統(tǒng)被人們所了解，他們分別是美國的 ETT 系統(tǒng)和瑞士的超高速地鐵(Swiss metro)系統(tǒng)。美國 ETT 系統(tǒng)只是對系統(tǒng)本身進(jìn)行了整體構(gòu)思，并沒有深入研究其列車空氣動力學(xué)問題。瑞士 Swissmetro 工程研究[30]雖然涉及了高速列車在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生復(fù)雜的空氣動力學(xué)問題，但是該研究僅僅局限于管內(nèi)壓力為 0.1atm，列車運(yùn)行馬赫數(shù)小于 1 的列車空氣動力學(xué)問題。1.2.1 美國的 ETT 系統(tǒng)歷經(jīng)數(shù)年鍥而不舍的研究和不斷的更新設(shè)計(jì)，1999 年美國工程師 Daryl Ost終于獲得了關(guān)于 ETT 系統(tǒng)的發(fā)明專利(美國專利號：5950543)[8]。同年，在弗羅里達(dá)州成立了名為 et3.com 的公司，更好的進(jìn)行 ETT 研究與開發(fā)工作。ETT 系統(tǒng)如圖 1-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：U171

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2563191