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。

真空管道列车流固耦合研究进展及关键技术分析

利用磁悬浮技术、管道内抽真空形成低压运行环境,真空管道列车理论上可以实现超过1000 km/h的运行速度。封闭管道导致气动环境复杂,同时列车悬浮运行使列车运行姿态极易发生改变,列车流固耦合效应明显。为探究真空管道列车流固耦合理论及分析方法,对真空管道列车气动研究进展、轨道列车流固耦合特性研究进展进行了综述,分析了真空管道列车流固耦合关键技术,提出了需要重点发展的真空管道列车流场分析技术、流固耦合分析技术和控制技术,可为真空管道列车流固耦合机理研究提供参考。

基于融冰式变风量调节的真空管道列车热环境控制系统研究

为了克服真空管道列车无新风、散热困难的问题,文章提出了一种基于融冰储热和变风量调节的新型热环境控制系统,该系统在列车运行期间通过冰的相变潜热吸收车内余热,同时采用变风量系统弥补融冰换热带来的问题。建立了一维AMESim与三维CFD联合仿真的热环境控制系统数值计算模型,研究了变风量和蓄冰板结构对车内温度和系统制冷性能的影响。研究结果表明:采用变风量时,可将热环境控制系统的有效控制时间增加5.7倍,冰块利用率增加6.1%,平均制冷量提升9%;融冰换热设备内蓄冰板厚度对热环境控制系统的有效控制时间影响较大,蓄冰板厚度为0.032 m的热环境控制系统比蓄冰板厚度为0.041 m的热环境控制系统有效控制时间增加了73.1%~82.1%;融冰换热设备内蓄冰板长度对热环境控制系统的有效控制时间影响较小,蓄冰板长度为1.4 m的热环境控制系统比蓄冰板长度为1.1 m的热环境控制系统的有效控制时间增加了5.17%~5.97%。

真空管道列车混合磁悬浮支承设计及载荷研究

由于气动阻力和气动噪音的影响限制了地面交通运输工具的运行速度,是以真空管道列车成为了未来地面超高速交通的出路。对磁悬浮列车的支承方式进行研究,提出一种采用EDS&EMS混合磁悬浮技术的真空管道列车支承结构的设计方案,运用ANSYS Maxwell对该混合磁悬浮系统的载荷特性进行仿真分析。结果表明,列车下方的EDS系统提供列车悬浮所需大部分悬浮力,列车上方的EMS系统提供小部分悬浮力;可以通过改变EMS系统中定子与动子绕组电流大小来控制列车稳定运行所需的牵引力和悬浮控制力。

真空管道高速列车系统中管道压力分布研究

针对真空管道内列车运行对管道压力分布的影响,本文建立了单车运行和两车交汇的真空管道交通系统模型,通过Fluent湍流模型和重叠网格划分技术,得到真空管道交通系统的压力场,分析了压力场的变化规律。结果表明,列车运行速度和阻塞比对管道内压力分布影响较大,管道真空度影响较小,列车表面压力分布受列车运行速度影响较大。两车交汇时,真空管道内压力分布变化较大,达到110kPa/s。该研究为真空管道高速列车系统中管道压力设计提供了理论指导。

亚音速真空管道列车气动壅塞及激波现象

真空管道列车运行环境变化复杂,研究管道内部气动现象对真空管道列车设计及优化等具有重要意义。利用收敛-扩张进气道理论阐明亚音速真空管道列车壅塞机制。建立考虑悬浮高度的二维亚音速真空管道列车数值模型,利用重叠网格技术研究了真空管道列车运行前方的气动壅塞现象与尾部的激波现象。结果表明:重叠网格技术适用于数值模拟真空管道列车气动特性。管道内列车前方的壅塞高压区域长度随着运行速度的增加而降低,随着运行时间的增加而增大,且壅塞高压区长度与列车运行速度和时间均呈线性关系。列车尾部区域存在膨胀波和激波,尾部激波长度随着运行速度的增加而增加。由于悬浮间隙的存在,列车尾部激波呈现上下不对称现象。通过理论和仿真计算相结合方法揭示真空管道列车运行前方气动壅塞现象产生机制,得到了列车后方的非对称尾部激波现象。

真空管道高速飞行列车车地宽带无线通信关键技术的思考

真空管道高速飞行列车(以下简称高速飞行列车)是一种新型轨道交通技术,可实现磁浮列车在接近真空的低压管道内全天候以低机械磨擦、低空气阻力、低噪声模式超高速(超过1 000km/h)运行。保障高速飞行列车安全运行的关键是列车-地面无线通信系统,一方面,列车运行控制、牵引控制、在途监测等安全类数据需要在车地间实时双向通信,并满足"低延时高可靠"的传输要求;另一方面,需要满足乘客的移动电话、互联网业务等非安全数据通信需求,并满足"大容量高移动"的传输要求。总结高速飞行列车车地无线通信的需求,分析高速飞行列车车地无线通信的特点,针对高速飞行列车无线宽带接入应用场景,研究新型漏波近场耦合、基于云端的集中式无线接入网络(C-RAN)、免切换移动小区等关键技术,探讨一种有效解决超高速移动无线宽带接入的理论与增强技术体系,从而为高速飞行列车的宽带接入提供理论与技术支撑。

真空管道高速飞行列车车地无线通信技术

近几年,随着信息技术发展越来越迅速及其应用领域的不断扩张,交通技术的新变革也正渐渐冲破桎梏.真空管道高速飞行列车是一种新型轨道交通技术,可实现磁悬浮列车在接近真空的低压管道中高速运行.由于轮轨摩擦和空气阻力可忽略不计,因此高速飞行列车理论速度可达4 000 km/h.本文基于最新的宽带无线通信理论与技术,针对真空管道高速飞行列车无线宽带接入应用场景,尝试思考一套有效解决超高速移动无线宽带接入的理论与增强技术体系.初步在真空管无线接入、新型漏泄波近场耦合等方面形成系统的解决方案,为真空管道高速飞行列车的宽带接入提供理论与技术支撑.

真空管道磁悬浮列车混合EMS支承的设计与分析

真空管道磁悬浮列车具有超高速、远距离运输的特点,将混合EMS支承应用于真空管道磁悬浮列车中,能有效降低能耗及成本。利用等效磁路理论确定混合EMS支承结构参数,然后建立其三维有限元模型,针对满载稳定悬浮、满载起浮、空载锁死三种临界工况利用ANSYS Maxwell对混合EMS支承进行电磁仿真模拟,得到磁场分布及磁力随电流的变化关系。仿真结果表明:所设计的混合EMS支承结构能满足悬浮要求,尤其在平衡位置能以较小的电流实现悬浮,相比传统电磁支承具有能耗低、体积小的优点。

真空管道高速列车气动噪声研究

为了探究真空管道高速列车气动噪声随着列车运行马赫数变化的分布规律,本文对真空管道交通(VTT)系统内高速列车气动噪声的研究主要采用理论研究和数值模拟相结合的方法。采用基于Lighthill声学分析法,建立高速列车的二维模型。运用流体软件FLUENT进行数值模拟,数值计算并分析了低压环境下真空管道内高速列车远场气动噪声的分布规律、频谱特性以及声压等声学指标;然后通过对数值模计算结果的后处理,对气动噪声数值规律总结。结果表明气流流速快、扰动作用强、脉动压力大、湍流活动剧烈的流线型车头为高速列车主要的噪声声源,即列车的气动噪声取决于列车表面脉动压力,脉动压力越强,声压值越大。

真空管道高速飞行列车业务复用研究

高速飞行列车的平稳、安全的运行离不开车地无线通信技术的支持,需要包括安全类与非安全类等多类别车地通信业务的有效支撑.研究了高速飞行列车车地通信中突发性运行业务与乘客互联网业务复用传输优化问题,并对其进行求解.将该优化问题分解为两个子问题:乘客传输资源分配问题与突发性运行业务与乘客业务调度问题.首先,通过二维Hopfield网络对乘客传输资源分配问题建模,利用能量函数收敛的性质解决乘客资源分配问题.然后将突发性运行业务与乘客业务调度问题归结为一个机会约束优化问题,通过研究突发性运行业务的累积分布函数将机会约束放宽为线性约束,可利用凸求解器得到最优解.仿真结果表明该复用机制可以实现业务高效复用传输.

真空管道高速飞行列车综合承载业务需求分析

真空管道高速飞行列车(以下简称高速飞行列车)是一种新型轨道交通技术,可实现磁浮列车在接近真空的低压管道内以低机械磨擦、低空气阻力、低噪声模式全天候超高速(超过1000km/h)运行。保障高速飞行列车安全运行的关键是列车-地面无线通信系统,一方面,安全类数据(包括列车运行控制、牵引控制、在途监测等数据)需要在车地间实时双向通信,并满足“低延时高可靠”的传输要求;另一方面,列车上用户的移动性多媒体服务需求也在不断增长,这类非安全类数据需要满足“大容量高移动”的传输要求。基于现有轨道交通车地通信系统综合承载业务需求,结合高速飞行列车的特点,分析高速飞行列车车地通信综合承载业务需求,从而为高速飞行列车的宽带接入提供先验知识。

真空管道磁悬浮列车混合悬浮支承设计与研究

为了克服列车高速行驶时空气阻力大的缺点,真空管道磁悬浮列车这一概念被提出。作为一种新型超高速地面交通工具,真空管道磁悬浮列车具有广阔的发展和应用前景。对真空管道磁悬浮列车的悬浮支承系统进行研究,针对单一悬浮支承方式的不足,设计了一种永磁电动与电磁混合悬浮支承结构。使用Ansoft Maxwell软件对混合悬浮支承结构进行仿真计算,分析结果表明,该混合悬浮支承能够有效降低起浮速度,减小磁阻力,增大浮阻比,降低系统能耗,更加适用于真空管道磁悬浮列车。

亚声速真空管道磁浮系统气动热特性研究

为解决真空管道磁浮系统气动热问题,研究管道内气动热分布特性至关重要。以某高速磁浮列车为研究对象,基于Sutherland黏性公式及SST k-ω湍流模型,数值仿真了三维可压缩亚声速真空管道磁浮系统的气动特性及气动热效应,考虑的阻塞比范围为0.1~0.4、列车运行速度为600~1 000 km/h,研究了列车表面温度分布、列车尾部温度分布及管道激波的传播规律。研究结果表明:不同工况下头车与中间车表面温度变化呈缓慢下降趋势,由于尾部激波产生而造成尾车表面温度上升明显,且升高幅值随速度与阻塞比增大而增加。在壅塞状态下,尾车鼻尖处最高温度与阻塞比及速度基本呈线性关系。尾车流线型顶部与悬浮间隙处均有激波产生,管道内激波具有典型的三维特性和周期性,在轨道与管道表面之间反射的激波簇形成尾部低温与列车后方高低温交替特性。

管道断面外形对亚音速真空管道磁浮系统气动特性的影响

亚音速真空管道磁浮系统内部流场复杂,研究管道断面外形对气动效应的影响至关重要。基于计算流体力学,考虑流体粘性与列车悬浮间隙建立了三维亚音速真空管道列车空气动力学模型,数值模拟并对比分析了四种不同断面外形管道内的气动力、流场和气动热效应。4种典型的管道外形为圆形、马蹄形、矩形和拱形。研究结果表明:当阻塞比一定时,列车在拱形管道中受到的气动阻力最小,其次为圆形管道,矩形管道内的列车气动阻力最大;圆形管道内垂直方向的压力梯度最小,管道表面压力最低;亚音速真空管道磁浮系统中最高温度分布在列车鼓包两侧,最低温度分布在管道表面;不同断面外形对温度分布的影响较小。在管道断面面积一定的情况下,优先推荐选用拱形管道,其次为圆形管道。

真空管道磁浮列车三电平中点钳位整流器的改进型模型预测控制研究

真空管道磁浮列车三电平中点钳位(NPC)整流系统所需的控制目标较多。与PWM控制方式相比,模型预测控制可以在单个代价函数中增加任何必要的控制目标,故更适用于多目标控制,但其计算量更大,主要控制目标相互耦合,影响输出性能。为了解决传统模型预测控制存在的问题,本文提出一种改进型模型预测控制策略,可在保证系统稳定运行的基础上,节省约22%的计算时间。同时,本文考虑负载与开关频率权重系数的变化对电流谐波畸变率(THD)及平均开关频率(损耗)的影响,提出变开关频率权重系数的控制策略,以满足不同负载情况下系统对谐波和损耗的要求。最后,仿真验证了所提策略的有效性。

壅塞效应对低气压管道高速列车气动加热的影响

面对未来真空管道交通系统的发展需求,处于低压受限空间的高速列车将面临Kantrowitz极限等空气动力学问题,由其导致的壅塞效应对列车气动加热影响凸显。采用基于TVD格式的可压缩流动求解器,开展了壅塞/非壅塞条件下的低气压管道列车跨声速流动数值模拟,获得了多种工况下的列车气动加热结果。研究表明,由不同车速和阻塞比组合导致的不同流动状态下的气动加热特性差异明显,壅塞效应带来的复杂流动结构造成列车表面出现局部加热/冷却现象;当阻塞比为0.4时,受壅塞效应的影响,速度在0.5马赫运行时的列车局部温度最低可至−33℃,最高温度出现在马赫数1.5时运行的超声速列车,达到252℃。研究结果对于指导管道列车热环境控制具有重要的理论和工程实际意义。