1. 基本假設(shè)

在膠囊列車運行系統(tǒng)中，相比較于整個列車運行的真空管道而言，膠囊列車可視為一個車長和車寬之比相對較大的細長物體，并在真空管道內(nèi)做近地懸浮運動。

膠囊列車在運行管道中以較高的速度運行時，管道內(nèi)部的介質(zhì)被膠囊列車排擠壓縮，但是在運行管道壁面的約束下，空氣介質(zhì)不能夠像在開放的大氣環(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)在運行管道與膠囊列車組成的環(huán)狀間隙中被強烈壓縮，空氣在被高速列車壓縮的整個過程中，具有一定相對速度的高速空氣介質(zhì)與膠囊列車和運行管道壁面產(chǎn)生強烈的摩擦作用，并且出現(xiàn)生熱和傳熱現(xiàn)象，同時管道壁面的限制作用將會對管道內(nèi)部空氣介質(zhì)的密度、壓力以及列車周圍的流場產(chǎn)生一定的影響。

這些現(xiàn)象說明了運行管道內(nèi)的介質(zhì)流動是可壓縮的。此外，紊流現(xiàn)象也因膠囊列車與運行管道的相對運動引起流場強烈的不穩(wěn)定邊界條件而加強，緊貼運行管道壁面和膠囊列車外表面的介質(zhì)保持相對靜止狀態(tài)，剩余的介質(zhì)則以不同的速度運動，因此在同一段時間內(nèi)，運行管道內(nèi)空氣介質(zhì)的流動分為紊流、過度流以及層流這三種狀態(tài)，且膠囊列車周圍流場伴有邊界層分離、尾流的卡門渦街等帶有明顯的分離特點，從而在運行管道內(nèi)形成具有一定邊界層分離的瞬態(tài)湍流流動。另外，對于很長的運行管道而言，管道長度遠遠大于其管道直徑，大多數(shù)文獻均用考慮粘性的標準一維非穩(wěn)態(tài) N-S 方程來計算隧道內(nèi)的流場。

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

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

（2）膠囊列車超高速運行時馬赫數(shù)大于1，建立數(shù)學(xué)模型時考慮空氣介質(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)車體為一個外形光滑并且沒有其他輔助設(shè)備的幾何體；

（4）為簡化計算，假設(shè)膠囊列車按直線路徑行進，同時認為膠囊列車運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，計算機配置較低，無法進行動網(wǎng)格技術(shù)進行模擬，本文在研究時進行了簡化處理，假設(shè)列車在管道內(nèi)靜止不動，空氣介質(zhì)以列車運行的速度從管道的一端進入，即保持列車與空氣介質(zhì)間的相對運動速度不變。

2. 物理模型

數(shù)值計算是否精確的主要前提條件是幾何形狀是否準確，本文主要參考了國內(nèi)與國外的主流高速列車，包括中國的 CRH 和諧號動車組、德國 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，膠囊列車的車身長度為30m，膠囊列車運行管道的直徑為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，因為這是最初的仿真，所以本文在一開始選擇了線性（2:1）來進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行比較與分析。本文對膠囊列車模型的計算區(qū)域參考普通列車流場分析時的設(shè)計，并根據(jù)具體的仿真需要進行了優(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的20倍，即600m。


圖1 二維膠囊列車模型的幾何尺寸與計算域圖

3. 膠囊列車氣動特性分析

通常，車輛的運行時受到的氣動阻力是由車輛的形狀和長度分別構(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受到的運行總阻力主要取決于壓差阻力，而列車運行時受到的總阻力則主要由非常大的黏性阻力所決定。當(dāng)膠囊列車運行管道內(nèi)的環(huán)境壓力不同時，由于膠囊列車運行前方的空氣密度不同，導(dǎo)致膠囊列車運行時的阻力有了相應(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，膠囊列車的運行速度分別為490km/h、890km/h和1220km/h時，膠囊列車在運行時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。在三個部分中，只有在膠囊列車的橫截面積和膠囊列車運行速度是固定的情況下，流量密度才對膠囊列車運行時的總阻力起著重要的作用。因此，為了實現(xiàn)膠囊列車在高速運行時總阻力的最小化，應(yīng)盡可能的降低膠囊列車行駛管道內(nèi)的壓力。