對真空管道高速列車氣動阻力特性和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法進行了深入系統(tǒng)研究，建立低壓環(huán)境下真空管道高速列車的空氣動力學(xué)計算模型，研究管道壓力、阻塞比和列車速度對列車氣動阻力的影響。在此基礎(chǔ)上，以明線上運行速度為400km/h的高速列車氣動阻力為限值，確定出真空管道高速交通系統(tǒng)的最佳管道壓力、阻塞比和列車速度關(guān)系。研究表明，在低壓(1×10³～1×10⁴Pa)環(huán)境下，真空管道中的空氣流動可以采用連續(xù)介質(zhì)模型描述。高速列車的氣動阻力系數(shù)基本上與管道壓力和列車速度無關(guān)，主要依賴于阻塞比。高速列車的氣動阻力隨阻塞比的增加而增大，且與管道壓力近似成線性關(guān)系，與列車速度近似成平方關(guān)系。本文同時給出了真空管道高速交通系統(tǒng)最高經(jīng)濟運行條件下的管道壓力、阻塞比和列車速度的計算公式，并由此確定出最佳的管道壓力、阻塞比和列車速度關(guān)系。

　　發(fā)展高速鐵路成為世界鐵路運輸發(fā)展的共同趨勢，也是鐵路技術(shù)現(xiàn)代化的主要標(biāo)志。隨著列車運行速度的提高，許多在低速時被合理忽略的問題都逐漸浮出水面，并且在很大程度上影響著列車的提速。與普通列車相比，高速列車所處的動態(tài)環(huán)境發(fā)生了質(zhì)的變化，由機械、電氣作用為主，變成了以氣動作用為主。低速運行時，列車阻力中的氣動阻力所占比例很小，但當(dāng)速度達到200和300km/h時，氣動阻力在總阻力中所占的比例將上升到70%和80%左右。高速帶來的噪聲問題更為嚴(yán)重，當(dāng)列車的運行速度超高300km/h，列車運行產(chǎn)生的氣動噪聲將會超過輪軌噪聲，成為高速列車的主要噪聲。克服氣動作用是地面高速交通的主要任務(wù)。氣動阻力與速度的二次方成正比，氣動噪聲與速度的六次方成正比，這是任何地面交通工具都無法避免的客觀規(guī)律。在地表稠密的大氣層中運行的高速交通工具，其最高速度都不宜超高400km/h。然而，實現(xiàn)更高速度確有客觀需要，也是交通科技工作者孜孜以求的夢想。地面高速交通的障礙來自周圍介質(zhì)，即稠密大氣，提速的根本途徑只能是改變介質(zhì)的密度。真空管道高速交通作為下一代高速運載工具的想法應(yīng)運而生。列車在抽成低氣壓的密閉管道里運行，其所處的介質(zhì)發(fā)生變化，其動態(tài)環(huán)境可變?yōu)槿f米高空(如達到0.2×10⁵Pa)或者宇宙(1～10Pa)，由此可以實現(xiàn)音速或者超音速運行。

　　目前，從全球范圍來看，真空管道高速交通尚無先例可供參考，對真空管道高速交通的設(shè)想主要有兩種：美國的ETT系統(tǒng)和瑞士的超高速地鐵。美國ETT公司只是對真空管道運輸系統(tǒng)的總體設(shè)想進行了介紹，并未對其列車空氣動力學(xué)問題進行深入研究。瑞士超高速地鐵工程研究的主要課題中雖然包含了高速車輛與管道內(nèi)的空氣動力學(xué)問題，但是只局限于大氣壓力為1×10⁴Pa，列車運行速度為400～500km/h條件下的列車空氣動力學(xué)特性。文獻采用二維不可壓縮模型研究了真空管道中阻塞比對列車氣動阻力的影響特性。文獻采用二維可壓縮模型研究了真空管道高速列車氣動阻力與列車速度、阻塞比和管道壓力的關(guān)系。真空管道高速列車空氣動力學(xué)的研究正處于起步階段，已有的相關(guān)研究，其計算模型都相對簡單，與實際情形差異較大。

　　目前，國內(nèi)外尚未有關(guān)于真空管道高速列車氣動特性的三維數(shù)值模擬。管道壓力、阻塞比和列車速度如何影響真空管道高速列車的氣動阻力，如何科學(xué)地確定出真空管道高速交通系統(tǒng)的最佳管道壓力、阻塞比和列車速度關(guān)系，目前均無系統(tǒng)的研究�；�于此，本文建立低壓環(huán)境下真空管道高速列車空氣動力學(xué)計算的流體模型、數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計算模型，對不同管道壓力(1×10³～1×10⁴Pa)、不同阻塞比(0.2～0.7)和不同列車速度(600～1000km/h)下的真空管道高速列車空氣動力學(xué)特性進行分析，研究管道壓力、阻塞比和列車速度對真空管道高速列車的氣動阻力系數(shù)和氣動阻力的影響。并以明線上運行速度為400km/h的高速列車氣動阻力為限值，建立了真空管道高速交通系統(tǒng)最高經(jīng)濟運行條件下的臨界管道壓力、阻塞比和列車速度的計算公式，給出最佳的管道壓力、阻塞比和列車速度關(guān)系。

圖5 不同阻塞比和列車速度下的臨界管道壓力

　　由于真空管道高速列車氣動阻力與管道壓力成線性關(guān)系，因此固定列車速度和阻塞比時，可以由式(11)確定出管道壓力的臨界值。圖5給出了真空管道高速列車在不同列車速度和阻塞比組合下的臨界管道壓力。由圖5可以看出，當(dāng)列車速度固定時，臨界管道壓力隨阻塞比的增加而減小。隨著列車速度的增加，阻塞比對臨界管道壓力的影響減弱。當(dāng)車速為600km/h，阻塞比由0.2增加到0.7時，臨界管道壓力由9.5×103Pa降低到3.4×103Pa，降低了64.2%;而當(dāng)列車速度為1000km/h，阻塞比由0.2增加到0.7時，臨界管道壓力由2.3×10³Pa降低到1.2×10³Pa，降低了46.7%。

　　此外，由圖5還可以看出，當(dāng)阻塞比固定時，臨界管道壓力隨列車速度的增加而減小。隨著阻塞比的增加，列車速度對臨界管道壓力的影響減弱。當(dāng)阻塞比為0.2，列車速度由600km/h增加到900km/h時，臨界管道壓力由9.5×10³Pa降低到2.3×10³Pa，降低了75.4%;而當(dāng)阻塞比為0.7，列車速度由600km/h增加到900km/h時，臨界管道壓力由3.4×10³Pa降低到1.2×10³Pa，降低了63.4%。理想的真空管道高速交通系統(tǒng)應(yīng)具有盡可能小的氣動阻力和盡可能高的運行速度，為實現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)盡可能地降低真空管道的管道壓力，使其接近于真空狀態(tài)，并需要盡可能地減小阻塞比。但對于實際的真空管道高速交通系統(tǒng)，受建設(shè)及運營成本的限制，管道壓力和阻塞比不能無限地減小。因此，在進行管道壓力和阻塞比的最優(yōu)設(shè)計時，還需要進一步考慮經(jīng)濟成本的影響。

4、結(jié)論

　　本文較為系統(tǒng)地研究了真空管道高速交通系統(tǒng)的管道壓力、列車速度和阻塞比對高速列車氣動阻力的影響特性和最佳管道壓力、列車速度和阻塞比的確定，主要有如下結(jié)論：

　　(1)低壓(1×10³～1×10⁴Pa)環(huán)境下，真空管道中的氣體流動可以采用連續(xù)介質(zhì)模型描述。

　　(2)低壓(1×10³～1×10⁴Pa)環(huán)境下，高速列車的氣動阻力系數(shù)基本上與列車速度和管道壓力無關(guān)，主要依賴于阻塞比。

　　(3)高速列車的氣動阻力隨阻塞比的增加而增大，與管道壓力近似成線性關(guān)系，與列車速度近似成平方關(guān)系。

　　(4)真空管道高速交通系統(tǒng)經(jīng)濟運行時的臨界管道壓力與列車速度和阻塞比成反比關(guān)系。