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%.

真空管道磁浮交通管内波系时空分布特征

为了避免列车直接起动带来的非物理现象,通过自定义程序和重叠网格技术分别控制列车速度和运动,基于IDDES湍流模型研究高温超导磁浮列车在加速启动阶段和匀速阶段的管内波系形成过程和传播特性,揭示了不对称模型下的波系时空分布特征。结果表明:列车加速向前运动,车前会不断产生压缩波,这一系列压缩波形成一道正激波。在匀速运行阶段,车前空间流场呈现准一维分布特性。尾流区较为复杂,存在着激波、膨胀波、涡对以及它们间的相互作用等复杂流动现象。在考虑悬浮间隙下,尾流区域的波系分布呈现明显的上下不对称性。由于反向旋转涡对的存在,不同高度水平面的尾流流场结构差异较大。在匀速运行阶段,扰动区长度均随着运行时间线性增加。

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%。

“高速磁浮列车空气动力学”专刊简介

中国轨道交通发展历经几代技术创新与革命,取得了令世界瞩目的成就。然而,轮轨系统也极大限制了轨道交通进一步高速化,磁浮技术在轨道交通上的运用便应运而生。“十三五”期间,国家重点研发计划“先进轨道交通”重点专项中设立了“高速磁浮交通系统关键技术”研究课题,研发600 km/h高速磁浮交通系统,历经5年刻苦攻关、自主创新,解决了高速磁浮的诸多技术难题,掌握了高速磁浮设计、制造及评估方法,建立了开放的研发、制造与试验平台,形成了可持续研发能力。2021年7月20日,我国自主研制的600 km/h高速磁浮交通系统成套装备正式面世,标志着高速磁浮向工程化应用领域迈出了关键一步。

基于斜置环形Halbach永磁轮的磁浮列车“悬浮-导向-推进”一体化方案设计

基于永磁电动悬浮的原理,将Halbach环形永磁轮和导体板顺时针旋转后倾斜布置,提出一种实现磁浮列车“悬浮-导向-推进”一体化方案。首先,采用ANSYS Maxwell有限元仿真软件对斜置永磁轮的三维力特性进行分析,仿真结果表明:对于单个外径为200 mm的永磁轮,倾斜角度应不小于60°,从而保证浮重比大于5.5,此时仍可获得310 N的推进力和380 N的导向力。然后,进一步分析了永磁轮三维力随工作气隙、导体板厚度和电导率的变化规律:随着工作气隙变大,三维力均呈下降趋势;随着导体板厚度和电导率的增加,悬浮力和导向力先增加后饱和,驱动力则先增大后减小。基于上述分析结果,给出了新型磁浮列车“悬浮-驱动-推进”一体化的概念模型设计,并对更大直径、宽度的磁轮进行了计算分析,结果表明:直径250 mm永磁轮的磁场利用率最大,磁场利用率和磁轮宽度的变化呈正相关。相关的研究工作是对永磁电动悬浮理论的应用和拓展,能够有效降低磁浮列车系统的建设成本,为“悬浮-导向-推进”一体化的新型磁浮列车设计提供参考。

高温超导磁悬浮新型助推系统设计及研究

传统的电磁轨道助推发射技术中,被发射物体往往与导轨直接摩擦,导致高速刨削等一系列问题,严重影响发射装置的使用寿命。针对有效载重100 t、加速度15g、发射初速度300 m/s的发射指标,提出了高温超导磁浮发射方案并进行了理论计算。利用高温超导磁浮对被发射物体进行承载,以超导直线电机进行驱动,同时结合真空管道减小发射阻力,并针对发射过程进行了稳定性分析,从根本上解决了轨道发射中的高速刨削问题。研究结果表明:该真空管道磁浮发射方案针对高载重、高加速系统具有一定的可行性,给未来的电磁发射技术提供了一种新的解决思路。

磁悬浮列车发展现状与展望

作为新型轨道交通技术的典型代表,磁悬浮交通具有无机械接触磨损、运行速度高、安全可靠、环境友好等优点,经过60年的发展,正逐渐走向成熟.本文首先对国内外磁悬浮列车的发展历史作了简要回顾;然后,从结构原理、核心技术和应用场景等方面对永磁悬浮、电磁悬浮、电动悬浮和超导钉扎悬浮4大类磁悬浮交通系统进行了详细介绍,对其悬浮特点、悬浮间隙、磁力计算、驱动技术与技术成熟度等进行了阐述,并指出发展时速600公里级高速磁浮列车亟须解决的试验平台搭建、电机控制策略、紧急制动、线路维护、无线传能、无线通信、气动噪声、磁浮道岔等8个关键问题;最后,对超高速真空管道磁悬浮交通系统的研究进展以及需要研究的课题进行了探讨与展望.