真空管道磁悬浮列车流固耦合特性研究

真空管道磁悬浮列车运动与管道内流场相互作用,导致列车流场环境具有高度的非稳定性,同时列车悬浮运行的特性将使列车与管道内流场间存在严重的流固耦合效应。针对这一问题,提出了真空管道磁悬浮列车流固耦合动力学理论,并建立了可以实现列车在线实时交互数据的流固耦合数值计算模型,分析真空管道磁悬浮列车的车辆流固耦合特性。研究发现,列车悬浮运行列车尾部流场较为复杂,存在多道斜激波和反射波,随着列车的运行相对较为稳定,而列车顶部和头部的波系相对更加简单,但会随着列车运行发生明显的变化。列车受到的气动载荷呈低频周期性变化,悬浮刚度的减小会导致列车受到的气动载荷幅值增加,频率下降。在30 kN悬浮刚度下,列车的位移和转动幅值可以达到270 mm和14 mrad,并且随着时间推移,列车受到的气动载荷呈现振荡幅值还有增大的态势,影响列车运行安全。上述研究可以为真空管道磁悬浮列车的研究提供理论指导和分析方法参考。

低真空管道磁浮系统环境测试与数据处理

针对低真空管道磁浮交通运输系统搭建了数据采集系统,采用了GPS信号授时与IEEE1588以太网时钟同步的方式实现了分布式数据采集系统的时钟同步网络;对系统的多传感器进行了低真空和电磁场环境的影响测试,发现低真空环境下激光位移传感器产生了测量值减小的现象;同时以激光位移传感器为例,对比低真空环境下不同数据降噪方法对添加了不同信噪比的高斯噪声进行滤波处理,得出了不同信噪比下不同降噪方法的处理效果,以此为依据在工程实际情况选出最合适的降噪方法来得到更好的降噪效果;最后采用了基于不同降噪方法差值的数据异常值处理方法,与普通的区间估计异常值处理方法对比,从跳点去除效果和总去除个数证明了基于小波降噪的差值处理法对异常值处理的有效性,满足了实际工程的需要。

基于重叠网格的真空管道高速列车运行条件对温度场影响分析

为研究真空管道列车在运行时管道内的温度场与管道截面积、真空度和运行速度之间的关系,利用仿真软件Fluent,并结合重叠网格技术对不同列车运行速度、管道截面积和真空度进行仿真,分析了其对管道内和列车表面温度场的影响情况。研究结果表明,管道截面积的增加以及运行速度的降低会导致列车表面以及管道内温度降低;管道内真空度的增加对管道内温度场影响不大,但会使列车表面温度呈上升趋势。

低真空管道磁浮列车交会激波流场特性分析

为了解决管道列车高速运行时产生的激波等气动效应问题,通过建立三维仿真模型,针对不同阻塞比、线间距和列车外形,基于DES湍流模型,开展非稳态数值模拟研究,分析列车在低真空管道内交会时的激波流场结构、管道壁面压力、列车表面压力。研究结果表明:随阻塞比的增大,列车前端壅塞长度增加,且正压区域压力增大,激波反射更加剧烈,尾流激波反射强度增大,激波串长度加长;阻塞比增大有助于增大激波和膨胀波的入射角,从而增大激波和膨胀波的反射次数。随线间距的增大,管道内压力波动幅度相对增大,但改变线间距对管道内激波流场结构、管道壁面压力、列车表面压力的影响不大。列车头部压力和尾部激波强度与流线型长度存在一定的关系,随着列车流线型长度的增加,列车前端壅塞长度缩短,车头前端高压区壅塞强度和车尾末端尾流区域激波反射强度均减小。

低真空管道列车关键气动问题研究进展

低真空管道列车系统结合应用了管道运输和磁浮推进技术,是一种颇具潜力的未来地面高速交通方式。列车在极狭长的管道空间内长距离往返,通常诱发以管内壅塞现象为主导的大尺度跨声速流动和多车干扰,导致气动阻力急剧增加和气动热环境恶化,从而面临突出的空气动力学问题。本文从管道全场和列车近场两个视角出发,对管道列车流动特征进行了总结,并对近年来国内外该领域气动力/热/噪声研究的进展进行了梳理。在此基础上,围绕管道列车全线多车运行热点问题,对运行速度、管道阻塞比、发车间隔、运行模式的选取进行了讨论。最后,展望了低真空管道列车气动研究领域未来发展方向,指出高效研究方法、多车运行流动干扰、多车运行气动热、长大管道气动噪声、减阻/降热/降噪技术等是今后需要重点研究的领域。

内聚焦真空管集热器热泵系统实验研究及分析

本文提出了一种集热蒸发器为内聚焦真空管的直膨式太阳能热泵来提升系统性能,并搭建实验台获取实验数据,深入研究不同工况下系统的热力学性能。结果表明,太阳辐照强度对系统性能影响显著,当太阳辐照强度由400 W/m^(2)上升到800 W/m^(2)时,系统COP由4.18升至5.34,集热效率由0.94降至0.67,此时系统损由1175.33 W升高到2290.27 W,系统效率由16.82%下降到11.99%,此外循环水入水温度和环境温度对系统的性能影响远小于太阳辐照强度。集热蒸发器是系统从太阳辐射获取能量的部件,对它的设计优化将有助于改善系统性能。

基于真空管的无水冷微波消融针的设计

为减少组织碳化,提高微波消融治疗的有效性,本研究根据现有水冷法的原理,设计了一款基于双层不锈钢真空管的无水冷微波消融针。利用离体猪肝实验,验证了真空管隔热的有效性;根据有限元仿真方法建立了微波消融仿真模型,并通过实验验证,达到了更好的消融效果。仿真和实验结果表明,无水冷真空管微波消融针无消融尾迹;与传统带水冷的消融针相比,在相同剂量下,无水冷真空管可得到更大的消融区域和更小的碳化区域。本研究证明了真空管用于无水冷消融的可行性,可为后续设计微波消融针提供新的思路。

真空管道内直线电机定子温度分布与散热特性研究

为研究真空管道内直线电机定子的温度分布和散热特性,建立了直线电机定子温度分布三维数值计算模型,利用Fluent软件模拟了定子在通电及散热阶段的温度场变化,研究了不同管道压力(0.005、0.01、0.02、0.05、0.1atm)对线圈表面自然对流换热性能的影响,分析了自然对流换热与辐射换热的相对强弱。研究结果表明,列车单次运行引起的定子温升很小,线圈最高温升为14.6℃,经两小时散热后温升仅为0.55℃;通电线圈产生的热量95%以上通过导热传递给铁芯和支架,而通过对流和辐射所传递的热量非常少,管道内压力对线圈表面的自然对流换热量有很大影响;线圈表面的辐射换热量大于自然对流换热量。研究结果为真空管道直线电机定子的温升特性及散热方法研究提供了理论依据。

长沙至衡阳低真空管道磁浮线路方案动力性能评估

低温超高真空管磁悬浮是当前世界各国争相发展的超高速交通方式之一。目前,该研究正处于起步阶段,有必要对其动力性能进行评估。以长沙至衡阳低真空管道磁悬浮试验线为例,建立低温超导电动悬浮制式的车辆-线路耦合模型,分析磁浮车辆通过该段线路时的动力性能。首先,计算得到以1 000 km/h速度运行时的车体垂向和横向加速度、悬浮力及导向力情况。在此基础上,绘制各动力性能指标的频数直方图,分析其在不同区间的分布情况,研究各动力性能指标随曲线半径的变化规律。研究结果表明,磁浮车辆通过长沙至衡阳线路时,计算得到的车体垂向和横向加速度均低于舒适性限值,动力性能满足要求;从车辆动力性能角度来看,缓和曲线长度设置为1 400 m合理;曲线半径20 000 m、车速1 000 km/h与横坡为16°相匹配,各项动力性能指标较优。研究结果可为超高速磁悬浮线路设计提供参考建议。

全玻璃真空管型太阳能热水器在嘉兴地区节能量与减排量分析

为评估太阳能热水器对“双碳”战略的贡献,减少对化石燃料的依赖,推动能源结构的优化和转型升级,在嘉兴地区通过对全玻璃真空管型太阳能热水器在实际使用工况下进行热性能测试分析.试验结果表明:在实际使用工况下,环境温度和辐照量是影响太阳能热水器日有用得热量的重要因素;78和75管间距的年节能量分别为451.87 kWh/(m^(2)·a)、467.46 kWh/(m^(2)·a),CO_(2)年减排量分别为338.9 kg/(m^(2)·a)、350.6 kg/(m^(2)·a),经估算2021年太阳能光热利用CO_(2)减排量约占全国碳排放总量的12.6%.

真空管道磁悬浮系统构想

真空管道磁悬浮的悬浮和低空气阻力以最大化减少了列车前进的阻力,使得它具有平稳、舒适、超高效、超高速、超快捷的特点,从而决定了它必然是载人公共交通的发展方向之一。通过对真空管道磁悬浮系统和子系统磁浮列车、真空管道、真空设备系统(含密闭门、密闭窗、真空设备)、磁浮轨道系统、供电系统、自动控制系统、通信系统、售检票系统、综合维护系统的构想,及其相关子系统关键技术和运营场景的描述,提出了各子系统的主要构成和关键技术的解决思路,以及部分利用既有技术的思路。其运营场景的详细描述,对于相关子系统的研发提供了功能需求的支撑。

管内加装导流板对真空管热水器热性能的影响

太阳能真空集热管中加装导流板能够实现将冷、热水分隔,可有效地改善管内流动和换热,从而达到提高热水器性能的目的。本文搭建加装导流板式太阳热水系统,按照“家用太阳热水器热性能实验方法”(GB/T 18708-2002),对真空管内加装导流板的热水系统和传统热水系统的热性能、保温性能进行对比实验,结果显示加装导流板后真空管热水器整体性能得以提高,为加装导流板全玻璃真空管热水器的推广提供实际指导意义。

内插式真空管集热器集热性能提升技术研究综述

真空管太阳能集热器是太阳能热利用的重要途径。内插式真空管集热器是一种结构优化后的真空管集热器,为提升其集热性能,介绍了内插式真空管集热器的工作原理,对其传热机理进行了分析,归纳了当前对内插式真空管集热器的集热性能的研究现状,并在此基础上通过建立集热效率关于环境参数及流量的关联式、改进内插管主管和支管管径尺寸、综合优化集热器布置方式及管间距并设置反射板的方式等方法分析了存在的问题,为低成本、高效率的内插式真空管集热器的研究发展提供了参考依据。

大气环境变化对真空管道温度场影响的研究

真空管道内的温度分布直接影响管道内磁浮列车的气动性能及运行安全,研究大气环境对真空管道温度场的影响,对未来真空管道列车运输系统的建设具有重要意义。基于四川省成都市近5年(2017—2021)的气象数据,总结了各季节的太阳辐射强度、空气湿度、大气温度和风速等大气环境参数,建立了真空管道辐射传热数值计算方法,采用DO(Discrete Ordinate)辐射模型研究了太阳辐射对真空管道内气流温度的影响,得到了不同季节、不同真空度下管道内气流温度分布及变化规律。研究表明:在太阳辐射的影响下,真空管道内气流温度提升较大;在相同真空度下,管道内气流温度夏季最高、冬季最低;随着真空度逐渐降低,管道内气流温度逐渐升高,真空度为0.1 atm(约10.1 kPa)时,夏季管道内气流温度最大提升56.60 K。

真空管道磁浮交通车体热压载荷分布特征及其非定常特性

基于SST κ-ω湍流模型和IDDES方法,采用三维数值模型对800 km/h的真空管道磁浮交通系统在雍塞状态(阻塞比为0.3和0.2)和非雍塞状态(阻塞比为0.1)下进行瞬态模拟,得到列车车体热压载荷时均分布特征及其波动特性,并利用跨声速风洞凸块试验数据验证了数值方法的准确性。基于本征正交分解提取流场重要相干结构,识别列车表面载荷非定常较强区域,揭示其时空演化规律。研究结果表明:列车上表面载荷分布特征与拉瓦尔喷管相似,雍塞/非雍塞状态下载荷分布差异主要位于扩张段;列车下表面载荷分布因悬浮架腔体的截面突变而变得复杂,气流突入到第一个悬浮架腔体形成局部滞止点,造成车体压力大幅度振荡,同时热量在列车底部聚集,尾车下洗气流和上洗气流相互作用差异导致了雍塞/非雍塞状态下温度峰值的位置不同;列车表面压力非定常较强区域主要位于底部悬浮架处,且存在14 Hz的特征频率,雍塞状态下尾车激波处也是一个非定常源;中间车、尾车温度载荷一阶模态体现了热量累积过程。

真空管超高速磁浮交通系统平面曲线参数运动学分析

针对真空管超高速磁浮交通系统线路设计实践,考虑真空管道构造特性和选线灵活性,基于舒适度指标,分析平曲线参数控制因素,确定了曲线半径、缓和曲线长度取值,基于刚体运动学模型,利用质心运动定理和动量矩定理,建立车辆动力学基本方程组,对超高速条件下支撑力和导向力进行估算,分析支撑力和导向力与缓和曲线线形及欠超高之间的关系。研究结果表明:横坡与侧向加速度是影响最小曲线半径取值的关键因素,对于1000 km/h设计速度来说,最小曲线半径的取值范围为9880~138900 m;缓和曲线最小长度取值应同时满足侧向冲击、垂向冲击和舒适度指标要求,在设计速度为1000 km/h时,缓和曲线最小长度推荐取1120 m;由公式计算得出的支撑力和导向力随速度变化规律与欠超高变化趋势相同,缓和曲线线形影响支撑力和导向力变化方式,但不影响曲线上支撑力和导向力的最大值。研究成果可为真空管超高速磁浮交通系统线路设计提供参考。

真空管道磁浮交通气动特性的尺度效应

为了探究管道列车的尺度对波系、尾涡以及气动载荷的影响,基于CFD软件建立三种模型尺度(1∶1,1∶5和1∶10),同时考虑两种悬浮间隙关系(车轨相对间隙不变和绝对悬浮高度不变)的模型;采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)湍流模型和重叠网格技术模拟了列车在管道动态运动,并用风洞试验数据验证了数值方法和网格策略的合理性.研究结果表明:列车尺度(雷诺数)增大,车前活塞区域变长,尾流扰动区范围缩短;雷诺数对近尾流区的涡对演化影响较小,但在远尾流区,随着列车尺度减小,涡对脉动变强,涡对强度的差异导致了车后正激波形态的差异;列车表面最大正压值和最大负压值均随着列车尺度增大而增大,悬浮间隙对最大正压值影响较小,但与最大负压值成正相关关系;尺度效应从压差阻力和摩擦阻力两方面共同影响气动阻力,整车摩擦阻力和头、中间车的压差阻力与雷诺数正相关,但是尾车压差阻力受附着激波的强度影响恰恰相反;列车尺度和悬浮高度均对升力影响较大.相对于全尺寸模型,1∶10模型(悬浮高度20 mm)的最大正压值减小3.82%,最大负压值增大3.94%,整车总阻力增大8.64%,头车升力减小101.56%,尾车升力增大15.88%.

1000km/h真空管磁浮纵断面参数取值研究

研究目的:真空管超高速磁浮是实现超高速轨道交通发展的重要方式,本文基于1000 km/h速度需求,参考高速磁浮、高速铁路系统研究成果,展开选线设计中纵断面参数分析并给出纵断面参数建议值。研究结论:(1)考虑安全因素和运行控制系统的特点,真空管超高速磁浮线路纵坡不宜大于50‰;(2)综合考虑速度、垂向加速度、纵坡、横坡、平曲线半径的影响,最小竖曲线半径一般不宜小于78000 m,困难条件下不宜小于65000 m;(3)考虑超高速运营需求,线路竖曲线间应设置缓和曲线,缓和曲线线形建议采用三次抛物线,其最小长度一般条件下不宜小于560 m,困难条件下不宜小于335 m;(4)本研究成果可以应用于超高速磁浮项目工程线路设计。

真空管道列车动态运行气动特性研究

研究真空管道列车瞬态气动特性能为建设多态耦合真空管道列车实验平台提供参考。建立了三维真空管道列车模型,采用剪切应力运输(Shear Stress Transport,SST)k–ω湍流模型求解流场,通过对比不同时刻列车匀速和加速时的气动阻力、压力分布及流场特性,揭示了加速度对真空管道列车气动阻力的影响机制。研究结果表明:头车和尾车气动阻力主要受管道壅塞和尾部激波脱离的影响,在非壅塞状态下,尾车阻力增长缓慢而头车阻力基本不变。相比于加速工况,匀速工况启动速度较大,斜激波反射造成列车表面压力波动,波动幅值随时间逐渐降低。加速时头车压缩前方空气过程较缓慢,前驱激波强度较低,头车气动阻力和周围压力的变化滞后于列车运行速度的变化,且加速度越小滞后效果越明显。在匀速运行阶段,壅塞段和尾部激波段长度与运行时间成正比。

轨道结构对真空管道磁浮列车气动特性的影响

真空管道磁浮交通的出现使得地面超高速轨道交通成为可能。真空管道磁浮研究受限于对大功率推进电机和真空环境的需求,难以取得相关试验数据。针对多态耦合轨道交通动模型试验平台永磁轨道和电机气动布局的前期设计,本文开展了相关数值模拟研究。基于动模型试验平台几何结构、电机平台和永磁轨道在管道内的实际布置形式,采用三维、可压缩的RANS方法和SST k–ω湍流模型,计算了超导磁浮列车在真空管道内超高速运行时的三维流场结构、激波反射和传播规律,对比分析了列车底部矩形槽道对列车气动载荷和管道内流场的影响,重点探究了列车底部压力和速度变化趋势、尾部激波强度和尾涡结构的差异。研究发现:轨道和电机平台的台阶使得尾流区产生了更多的流动分离和激波反射,导致尾部压力波动;列车底部流动间隙增大,列车尾部激波强度下降,激波现象更为明显,气动阻力系数减小8.855%,气动升力系数增大14.312%。