真空管道列車流固耦合研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)分析

寇杰，符澄，高興龍，孫運強

中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計與測試技術(shù)研究所，綿陽 621000

0 引 言

作為一種新型軌道交通工具，磁浮列車不存在傳統(tǒng)列車的輪軌黏著限制、輪軌摩擦阻力等問題，理論上可以實現(xiàn)更高速度的商業(yè)運行，近年來受到越來越多研究者的關(guān)注，已經(jīng)成為軌道交通領(lǐng)域的熱點研究對象[1-2]。

磁浮列車依靠懸浮力運行，與運行軌道間有一定間隙，高速運行時存在明顯的地面效應(yīng)；同時，高速磁浮列車運行的目標(biāo)速度為600～1 000 km/h（圖1 為我國正在研發(fā)的600 km/h 速度等級高速磁浮列車），遠(yuǎn)高于現(xiàn)有高速列車。高速運行條件下的氣動阻力等氣動載荷更大，對磁浮列車的外形、結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計都帶來了巨大挑戰(zhàn)[3]。為實現(xiàn)磁浮列車高速運行，研究者提出了真空管道列車概念，其中以2013 年埃隆·馬斯克提出的Hyperloop 膠囊列車最為著名[4-5]。真空管道列車的原理是通過抽吸空氣實現(xiàn)封閉管道內(nèi)部的低壓狀態(tài)，降低磁浮列車周圍流場空氣密度，從而大幅降低列車運行中的氣動阻力，實現(xiàn)超高速運行[6]。

圖1 600 km/h 速度等級磁浮列車[1]Fig.1 The maglev train at speed of 600 km/h [1]

低壓環(huán)境及管道的封閉邊界條件，給真空管道列車帶來了一系列氣動問題。列車在管道內(nèi)超高速運動，其前方形成壓縮波，后方產(chǎn)生膨脹波[7]；壓縮波和膨脹波在管道內(nèi)傳播，進(jìn)一步形成各種斜激波；各種激波反射疊加，引起管道內(nèi)壓力波動；再疊加車頭、車身和車尾通過時的壓力擾動，整個管道內(nèi)的流場環(huán)境十分復(fù)雜。真空管道列車前方和后方產(chǎn)生的壓縮波包括斜激波、正激波、反射激波、Lamda 激波、菱形激波等復(fù)雜的激波簇結(jié)構(gòu)，這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)與列車相互作用，形成高度非穩(wěn)定的列車運行環(huán)境[8-9]。懸浮運行的真空管道列車和管道之間存在明顯間隙，列車運行中的不穩(wěn)定將導(dǎo)致流場環(huán)境邊界條件發(fā)生變化，進(jìn)一步影響真空管道內(nèi)部流場。因此，真空管道列車周圍的氣體壓力和速度均受到列車速度和姿態(tài)的影響，存在嚴(yán)重的流固耦合效應(yīng)。

本文對真空管道列車氣動研究進(jìn)展及軌道列車流固耦合特性研究進(jìn)展等進(jìn)行了綜述，分析了真空管道列車流固耦合關(guān)鍵技術(shù)，并對下一步研究提出了建議。

1 真空管道列車氣動研究進(jìn)展

1.1 真空管道列車氣動特性

采用真空管道的目的是降低列車運行中的氣動阻力，真空管道列車的氣動阻力特性是研究者重點關(guān)注的問題。周曉等[10]建立了二維不可壓縮真空管道列車數(shù)值計算模型，研究了真空管道氣體壓力、阻塞比、列車速度對氣動阻力的影響，發(fā)現(xiàn)阻塞比增大會導(dǎo)致列車氣動阻力急劇增大，管道內(nèi)部壓力降低則會降低氣動阻力，表明真空環(huán)境對于列車高速運行具有基礎(chǔ)性作用。Kim 等[11]采用相似方法開展研究，得出的真空管道列車氣動阻力與列車速度、阻塞比和管道壓力的關(guān)系與周曉等的研究具有較好的一致性；Kim 等還關(guān)注了真空管道列車前方產(chǎn)生激波的臨界速度，該速度主要與阻塞比相關(guān)。劉加利等[12-13]將真空管道列車數(shù)值計算模型拓展至三維，建立了3 節(jié)車列車模型和真空管道內(nèi)部流場的三維計算模型，如圖2 所示。

圖2 真空管道列車三維計算模型[12]Fig.2 A three-dimensional calculation model for a vacuum pipe train[12]

該研究將列車氣動阻力D 分為兩部分，即壓差阻力Dp和摩擦阻力Dτ。為分析各阻力的關(guān)系，定義了無量綱的氣動阻力系數(shù)CD、壓差阻力系數(shù)CDp和摩擦阻力系數(shù)CDτ：

研究發(fā)現(xiàn)，在不同運行狀態(tài)下，摩擦阻力系數(shù)CDτ均遠(yuǎn)小于壓差阻力系數(shù)CDp，因此，壓差阻力對列車氣動阻力起決定性作用。從圖3 和4 可以看出，當(dāng)管道壓力和列車速度固定時，氣動阻力隨阻塞比增大而增大。低壓條件下，列車速度和管道壓力對列車壓差阻力和氣動阻力基本無影響，而阻塞比則對氣動阻力影響明顯。

圖3 不同管道壓力下氣動阻力隨阻塞比的變化[12]Fig.3 Aerodynamic drag changes with the blockage under different pipeline pressures[12]

圖4 不同列車速度下氣動阻力隨阻塞比的變化[12]Fig.4 Aerodynamic drag changes with the blockage under different speeds[12]

在真空管道列車氣動載荷特性研究方面，王博[14]采用三維數(shù)值仿真與模型試驗方法對真空管道高溫超導(dǎo)磁浮列車氣動阻力與管道壓力、列車速度、阻塞比的關(guān)系進(jìn)行了研究，提出了一種低壓慣性試驗方法。黃尊地等[15]依據(jù)最小空間尺寸計算克努森數(shù)，判斷真空管道內(nèi)的流動狀態(tài)，考慮三維定?？蓧嚎s效應(yīng)，利用滑移網(wǎng)格技術(shù)，分析列車速度、管道真空度、阻塞比及環(huán)境溫度對列車氣動阻力的影響。王志飛等[16]提出了一種基于數(shù)值仿真和正交理論相結(jié)合的參數(shù)設(shè)計研究方法，分析了影響真空管道列車運行的3 種因素（列車速度、阻塞比和管道壓力）對列車氣動阻力的影響趨勢及各因素影響的顯著性。馮瑞龍等[17]基于RBF（Radial Basis Function）和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation Network），訓(xùn)練了一種真空管道列車氣動阻力預(yù)測模型，分析了阻塞比、列車速度和管道壓力影響下的氣動阻力。

陳緒勇[18-19]和Zhang[20]等則關(guān)注了不同頭車外形對真空管道列車氣動阻力的影響，建立了二維計算模型，對不同頭車外形的真空管道列車氣動阻力進(jìn)行數(shù)值分析。Pandey 等[21]分析了頭車外形與尾車外形對真空管道列車氣動阻力的影響，如圖5 和6 所示，不同的頭車和尾車流線型設(shè)計對車頭和車尾的氣壓差影響有限，因而對列車壓差阻力影響較小。Yang 等[22]也研究了頭車外形和尾車外形對真空管道列車氣動阻力的影響，并在研究中加入了管道壓力、列車速度等影響因素。Zhang[23]研究了真空管道直徑和阻塞比對列車氣動阻力的影響，研究結(jié)果顯示對于半徑1.5 m 的真空管道列車，最佳管道直徑為2～4 m。Bi 等[24]構(gòu)建了一段550 m 的封閉管道，研究發(fā)現(xiàn)真空管道列車的氣動阻力在激波和反射波共同作用下是一個時變量，且受到激波傳播的時間影響，如圖7 所示（圖中α 為阻塞度、β 為管道內(nèi)氣壓與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓比值、vt為列車運行速度）。Ma 等[25]建立了真空管道列車氣動阻力與阻塞比、列車速度和管道壓力之間的理論模型，并采用試驗裝置（圖8）獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證，但該研究僅針對真空管道列車低速運行開展，且理論分析結(jié)果與試驗結(jié)果差異明顯。

圖5 不同頭車形狀條件下的氣壓差[19]Fig.5 Pressure differentials under different header shapes[19]

圖6 不同尾車形狀條件下的氣壓差[19]Fig.6 Pressure differentials under different trailer shapes[19]

圖7 封閉管道內(nèi)氣動阻力時域變化曲線[24]Fig.7 A change curve of the aerodynamic drag within the closed pipe[24]

圖8 真空管道列車試驗裝置[25]Fig.8 Vacuum pipe train test device[25]

從現(xiàn)有研究可以看出，真空管道列車氣動阻力主要與列車速度、阻塞比、管道壓力和列車外形等因素有關(guān)。管道內(nèi)氣體的阻塞效應(yīng)對列車氣動阻力系數(shù)起決定性作用，需在真空管道列車氣動設(shè)計中重點考慮管道的阻塞比[26-28]。真空管道列車實際運行中，在管道內(nèi)還可能受到升力、橫向氣動力和氣動力矩的影響，但現(xiàn)有氣動載荷特性研究基本局限于氣動阻力研究，尚未對其他氣動載荷給予充分關(guān)注。

1.2 真空管道列車流場特性

列車在具有一定真空度的封閉管道內(nèi)運行，帶動管道內(nèi)氣體流動，在列車周圍形成一定的氣壓波。管道內(nèi)存在壓縮波、膨脹波及各類斜激波組成的復(fù)雜波系[29]，嚴(yán)重影響真空管道列車運行的穩(wěn)定性和安全性，同時還是管道壁面承載壓力的主要影響因素。因此，對真空管道內(nèi)各種壓力波的產(chǎn)生、傳播及演變問題應(yīng)給予關(guān)注。

真空管道列車壓力波的產(chǎn)生機制和傳播機理復(fù)雜。張曉涵等[30]建立了二維亞聲速真空管道列車模型，采用數(shù)值計算方法研究了真空管道列車運行前方氣動壅塞現(xiàn)象與后方非對稱尾部激波現(xiàn)象。圖9為不同列車速度下真空管道氣動壅塞特性的對比（圖中，Ma0、Mat分別為來流馬赫數(shù)、管道喉道馬赫數(shù)，m0和m1分別為列車-管道前方自由空間的空氣流量、自由來流進(jìn)入列車-管道之間的空氣流量）。列車低速運行時，真空管道內(nèi)未發(fā)生壅塞現(xiàn)象；亞聲速運行時，管道內(nèi)發(fā)生臨界壅塞現(xiàn)象，列車頂部出現(xiàn)馬赫數(shù)為1 的臨界點（即“等熵極限”）；在高亞聲速、超聲速運行時，管道內(nèi)持續(xù)保持雍塞，列車后方產(chǎn)生弓形激波，影響列車后方的氣體流動。

圖9 真空管道內(nèi)部等熵流動流場特征分析[30]Fig.9 Analysis of flow field characteristics of isentropic flow in vacuum pipe[30]

列車在高亞聲速和超聲速運行時，其頭部前方出現(xiàn)了由溢出氣流堆積而成的高壓區(qū)。通過計算，可以擬合出列車前方的雍塞長度和列車運行時間的關(guān)系：

式中：L 為列車前方壅塞長度，t 為列車運行時間，Ma 為列車運行馬赫數(shù)。

圖10 為600 km/h 運行速度下真空管道列車尾部區(qū)域的馬赫數(shù)分布。此時真空管道列車尾部區(qū)域存在膨脹波和激波。當(dāng)來流為高亞聲速時，尾部形成局部超聲速區(qū)域，誘發(fā)產(chǎn)生一系列膨脹波，膨脹波經(jīng)過尾部流線型、管道上表面的多次反射與疊加，形成了較短的激波。激波在管道上表面邊界層中與剪切層相互作用，導(dǎo)致列車上方和管道內(nèi)壁之間激波反射不穩(wěn)定，產(chǎn)生激波串并向后耗散。

圖10 600 km/h 運行速度下列車尾部馬赫數(shù)分布[30]Fig.10 Mach number distribution at train trail at speed of 600 km/h[30]

Oh[31]、Gillani[32]、Kang[33]、Zhou[34]和Bao[35]等采用穩(wěn)態(tài)分析方法研究了壓力波與列車運行速度、列車長度、管道壓力、管道溫度和阻塞率的關(guān)系。列車實際運行產(chǎn)生的壓力波并非完全穩(wěn)定，其前方壓縮波、后方膨脹波及激波的傳播與反射疊加，以及管道的壁面效應(yīng)，使壓力波呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)[36]。Kim 等[11]將真空管道列車后方斜激波的產(chǎn)生和傳播機理作為非穩(wěn)態(tài)問題進(jìn)行研究，Niu[37]、Sui[38]和Yang[22]等也采用非穩(wěn)態(tài)二維數(shù)值模擬方法研究了斜激波與列車速度、管道壓力、阻塞率等的關(guān)系。Niu 等[39]還利用非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法研究了列車加速和減速過程中斜激波的特性。Sui[38]和Bi[24]等則研究了壓力波和膨脹波的產(chǎn)生和傳播機理。周鵬等[8]研究了真空管道列車超高速運行中產(chǎn)生的各類波系（圖11 和12 展示了弓形激波、正激波、反射激波、Lamda 激波、菱形激波等激波簇結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和傳播特性。圖中，P1、P2、P3 分別為激波的反射位置1～3；R2、R3 為反射波2 和3；I1 為弓形激波1；N 為正激波；M3 為馬赫桿3），研究結(jié)果表明，真空管道內(nèi)的各類激波使列車氣動環(huán)境比運行于開放流場的普通高速列車更為復(fù)雜，且各類激波的傳播、反射相互疊加，使列車運行流場環(huán)境具有高度的非穩(wěn)定性。

圖11 車頭處壓力云圖和激波結(jié)構(gòu)圖[8]Fig.11 Pressure clouds and shock cluster structure maps at the head of the vehicle[8]

圖12 車尾處壓力云圖和激波結(jié)構(gòu)圖[8]Fig.12 Pressure clouds and shock cluster structure maps at the end of the vehicle[8]

不穩(wěn)定的激波簇結(jié)構(gòu)對真空管道列車產(chǎn)生時變氣動載荷，在時變氣動升力、氣動力矩及其他各種帶有沖擊性的氣動載荷作用下，列車運行特性必將發(fā)生變化。因此，對真空管道列車氣動阻力之外的氣動載荷也亟待開展深入研究。

2 軌道列車流固耦合研究進(jìn)展

作為流體力學(xué)和固體力學(xué)相互耦合發(fā)展出的力學(xué)分支，流固耦合研究在機翼顫振、油箱內(nèi)燃油晃動和高層建筑風(fēng)載變形等實際工程問題中均體現(xiàn)出重要價值。傳統(tǒng)流固耦合研究主要研究流場和固體場相互作用的結(jié)果，在數(shù)值計算方法方面，需要研究兩種場的交界面上的各種物理參數(shù)的平衡與協(xié)調(diào)。軌道列車的流固耦合研究屬于流體力學(xué)和多體動力學(xué)耦合的交叉學(xué)科研究，與傳統(tǒng)流固耦合研究重點關(guān)注的流體力學(xué)和固體力學(xué)耦合差別較大，但這種交叉學(xué)科研究在軌道交通研究領(lǐng)域仍被稱為“流固耦合研究”。

真空管道列車與傳統(tǒng)軌道列車具有一定的相似性，其流固耦合研究可以借鑒軌道列車流固耦合研究的分析方法、分析手段并參考相關(guān)分析結(jié)果。

2.1 軌道列車流固耦合分析方法

軌道列車流固耦合研究重點關(guān)注外界環(huán)境風(fēng)作用下的列車運行狀態(tài)。于夢閣[40-41]、Bettle[42]、王永冠[43]、Baker[44]、Thomas[45]、李田[46]等利用氣動計算軟件或理論模型分析得到了外界環(huán)境風(fēng)作用下高速列車受到的氣動載荷，進(jìn)而采用車輛動力學(xué)計算軟件分析了氣動載荷作用下高速列車的運動特性。該離線方法可以快速計算高速列車氣動載荷及動力學(xué)指標(biāo)，但并未考慮氣動載荷導(dǎo)致的列車運行姿態(tài)變化及變化的列車運行姿態(tài)對流場特性產(chǎn)生的影響。

楊吉忠等[47]采用有限體積法和任意拉格朗日歐拉法（Arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE）進(jìn)行了氣動計算和車輛動力學(xué)計算的耦合分析。與之類似，為分析側(cè)風(fēng)作用下的列車動力學(xué)特性，崔濤基于ALE 及車輛動力學(xué)模型對比分析了流固耦合效應(yīng)對車輛氣動力和氣動力矩的影響，發(fā)現(xiàn)在列車氣動分析中考慮列車運行姿態(tài)變化和列車流固耦合效應(yīng)，會對車體搖頭力矩（側(cè)向力不作用于質(zhì)心時產(chǎn)生的力矩）產(chǎn)生明顯影響。崔濤等[48]建立了列車流體動力學(xué)模型，并采用參數(shù)傳遞、求解控制和動態(tài)網(wǎng)格技術(shù)將氣動載荷參數(shù)從流體動力學(xué)模型傳遞至車輛動力學(xué)模型，還提出針對不同問題可以采用不同耦合方法聯(lián)立流場方程和車輛動力學(xué)方程。聯(lián)立耦合方法可分為離線耦合、顯式耦合和隱式耦合：離線耦合僅在車輛動力學(xué)計算中引入氣動載荷；顯式耦合利用車輛系統(tǒng)響應(yīng)子模塊與氣動子模塊相互交換數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時交互求解；與前兩者相比，隱式耦合選擇性地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，需在車輛系統(tǒng)響應(yīng)子模塊和氣動子模塊都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

李田等[49-52]構(gòu)建了基于氣動軟件Fluent 和車輛動力學(xué)軟件Simpack 的聯(lián)合仿真模型。如圖13 所示，利用一個接口程序?qū)luent 和Simpack 相互連接，以Fluent 計算得到氣動載荷，經(jīng)接口程序傳遞至Simpack，以Simpack 計算列車在氣動載荷下的運行姿態(tài)和運動參數(shù)，并將相關(guān)參數(shù)經(jīng)接口程序傳遞至Fluent，F(xiàn)luent 根據(jù)更新的輸入?yún)?shù)進(jìn)行新一步計算。

圖13 聯(lián)合仿真求解過程Fig.13 Joint simulation resolution process

在車輛-軌道耦合動力學(xué)方程中引入2 個積分參數(shù)（μ和λ），用以構(gòu)造新的顯式積分格式：

式中：Xn-1、Xn和Xn+1分別表示第n-1、n 和n +1 個迭代步的位移矩陣；Δt 為時間積分步長。

基于Fluent 和Simpack 的流固耦合計算需經(jīng)接口程序?qū)崿F(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交換，其中一個程序的計算過程中，另一程序基本處于等待參數(shù)的狀態(tài)；同時，氣動計算和車輛動力學(xué)計算的時間步長存在數(shù)量級差異，導(dǎo)致后者等待時間較長，嚴(yán)重影響計算效率。此外，由于是給定時間步長進(jìn)行迭代，氣動計算比車輛動力學(xué)計算的迭代步長更長，導(dǎo)致氣動計算得到的氣動載荷在2 個輸出的迭代步之間變化較大，可能導(dǎo)致車輛動力學(xué)計算在突變氣動載荷輸入下不收斂。

針對聯(lián)合仿真的計算效率和計算收斂問題，李田[53]提出了一種內(nèi)嵌式高速列車流固耦合聯(lián)合仿真方法，如圖14 所示。

圖14 內(nèi)嵌式聯(lián)合仿真求解過程Fig.14 Embedded joint simulation resolution process

該方法改進(jìn)了車輛動力學(xué)計算部分，通過編程將車輛動力學(xué)計算程序包內(nèi)嵌至氣動計算軟件，無需借助接口程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，在氣動計算軟件中即可實現(xiàn)氣動計算和車輛動力學(xué)計算，避免車輛動力學(xué)計算因缺乏輸入長期處于等待狀態(tài)，大幅提高了聯(lián)合計算效率。同時，為降低突變氣動載荷對計算收斂性的影響，在車輛動力學(xué)計算程序中線性插值當(dāng)前時刻和上一時刻的氣動載荷，使得加載的氣動載荷連續(xù)。t 時刻作用于列車-軌道耦合動力學(xué)模型的氣動載荷Fa表達(dá)式為：

式中：tn、tn+1分別為第n 個和第n + 1 個迭代步時間；Fn、Fn+1分別為tn、tn+1時刻Fluent 計算得到的氣動載荷。

在常值的橫風(fēng)作用下，列車的氣動狀態(tài)和車輛動力學(xué)狀態(tài)會達(dá)到穩(wěn)定?；诖嗽?，李田等[54]提出了一種新的流固耦合計算方法—平衡狀態(tài)法，用以快速計算橫風(fēng)作用下的高速列車流固耦合特性。在計算中，為判定計算的氣動力是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對每一項指標(biāo)設(shè)置一定的收斂判斷準(zhǔn)則：

式中：Fn和Fn+1分別為第n 個和第n + 1 個迭代步的氣動力指標(biāo)值；ε 為收斂誤差，取ε=0.001。

在平衡狀態(tài)法中，首先需計算初始狀態(tài)下高速列車的穩(wěn)態(tài)流場，并對計算得到的氣動載荷進(jìn)行收斂性判定，若達(dá)到收斂狀態(tài)則將氣動載荷輸入車輛動力學(xué)計算程序，計算氣動載荷作用下的列車姿態(tài)參數(shù)，并根據(jù)姿態(tài)參數(shù)更新氣動計算的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，作新一步氣動計算后再次輸出氣動載荷數(shù)據(jù)，如是循環(huán)，直至氣動計算結(jié)果和車輛動力學(xué)計算結(jié)果均達(dá)到收斂，則表明計算進(jìn)入平衡狀態(tài)，即可輸出車輛動力學(xué)和氣動計算結(jié)果。如圖15 所示。

圖15 平衡狀態(tài)法聯(lián)合仿真求解過程[54]Fig.15 Joint simulation resolution process in balanced state method[54]

根據(jù)李田的研究，可以得到如表1 所示的3 種流固耦合方法計算效率的對比。離線仿真法的氣動計算總迭代步數(shù)和動力學(xué)計算總時間均最少，但存在前文所述的準(zhǔn)確性和收斂性問題，難以反映實際的流固耦合特性。對比平衡狀態(tài)法和交互式聯(lián)合仿真法可以發(fā)現(xiàn)，前者氣動計算每個時間步的迭代步數(shù)（100 步）多于后者（20 步），但前者的時間迭代總步數(shù)（50 步）遠(yuǎn)少于后者（7 500 步）。由于平衡狀態(tài)法每次迭代均需使用動力學(xué)計算，其動力學(xué)計算總時間比交互式聯(lián)合仿真法多250 s，但在整個流固耦合仿真過程中，氣動計算所需時間遠(yuǎn)多于動力學(xué)計算，因此平衡狀態(tài)法計算效率更高。

表1 計算效率比較[54]Table 1 The contrast of computational efficiency[54]

在目前的軌道列車流固耦合計算方法研究中，李田等的研究成果兼顧了計算精度和計算效率，具有較好的創(chuàng)新性和實用性；提出的聯(lián)合仿真法、內(nèi)嵌式聯(lián)合仿真法、平衡狀態(tài)法均可作為真空管道列車流固耦合研究的參考和借鑒（在研究中，仍需考慮真空管道列車流固耦合研究的特殊性）。

2.2 流固耦合作用下的列車運行特性

在流固耦合作用下，列車的動力學(xué)性能受到氣動載荷的激勵發(fā)生明顯改變。為準(zhǔn)確計算氣動載荷作用下的列車運行特性，研究者采用流固耦合計算方法將氣動計算和車輛動力學(xué)計算聯(lián)系起來，相關(guān)研究包括了第2.1 節(jié)提及的離線式流固耦合計算和交互式流固耦合計算。

表2 和3 分別為采用不同流固耦合計算方法得到的列車氣動載荷指標(biāo)和運行姿態(tài)指標(biāo)[54]。從表中可以看出：平衡狀態(tài)法和交互式聯(lián)合仿真法得到的結(jié)果差異相對較??；離線仿真法得到的氣動載荷指標(biāo)和運行姿態(tài)指標(biāo)與其他2 種方法差異明顯。離線仿真法得到的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，難以體現(xiàn)真實的列車流固耦合特性。

表2 氣動載荷指標(biāo)比較[54]Table 2 The contrast of aerodynamic load[54]

表3 列車運行姿態(tài)指標(biāo)比較[54]Table 3 The contrast of vehicle body attitude[54]

崔濤等[55-56]采用離線式流固耦合計算方法研究了高速列車通過站臺的安全性，但該方法僅適用于無環(huán)境風(fēng)條件。崔濤[55]采用顯式耦合方法分析了高速列車交會時的流場特性和列車運行安全性，發(fā)現(xiàn)在考慮流固耦合效應(yīng)時，交會時的高速列車表面壓力波動、氣動載荷、列車運行的動力學(xué)響應(yīng)及運行安全性指標(biāo)均有一定程度增大，列車交會的安全性降低。圖16 和17 給出了有/無環(huán)境風(fēng)條件下高速列車350 km/h 等速交會時的表面壓力分布。崔濤等[57-59]還采用穩(wěn)態(tài)流固耦合計算方法對側(cè)風(fēng)環(huán)境下高速列車交會安全性開展了研究。在側(cè)風(fēng)作用下，列車姿態(tài)發(fā)生變化，但當(dāng)側(cè)風(fēng)恒定時，列車姿態(tài)最終進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。因此，可以采用隱式耦合方法對側(cè)風(fēng)作用下列車姿態(tài)變化的最終狀態(tài)進(jìn)行分析，并采用離線仿真方法計算列車的動力學(xué)指標(biāo)。如圖18 所示，與不考慮列車姿態(tài)變化相比，在考慮列車姿態(tài)變化的情況下，頭車受到的橫向氣動力、垂向氣動力、側(cè)滾氣動力矩和俯仰氣動力矩均明顯增大。由于氣動載荷增大，列車運行脫軌系數(shù)和輪重減載率等均明顯增大，列車運行的安全性降低，如圖19 所示。

圖16 無風(fēng)條件下350 km/h 等速交會[57]Fig.16 Same velocity rendezvous at speed of 350 km/h without wind[57]

圖17 10 m/s 側(cè)風(fēng)條件下350 km/h 等速交會 [57]Fig.17 Same velocity rendezvous at speed of 350 km/h with sidewind at speed of 10 m/s[57]

圖18 頭車、中間車和尾車的氣動載荷[57]Fig.18 Aerodynamic load of head,middle and tail vehicle[57]

圖19 運行安全性指標(biāo)[57]Fig.19 The operational safety factor[57]

現(xiàn)有的列車流固耦合計算分析結(jié)果表明，流固耦合效應(yīng)會導(dǎo)致列車氣動載荷指標(biāo)和安全性指標(biāo)增大，列車運行安全性降低，在相關(guān)研究中必須考慮流固耦合效應(yīng)。此外，離線仿真法雖然具有更高的效率，但是由于未實時傳輸數(shù)據(jù)，導(dǎo)致計算結(jié)果偏離真實情況。因此，在真空管道列車流固耦合研究中，應(yīng)采用在線的流固耦合計算方法。

3 真空管道列車流固耦合關(guān)鍵技術(shù)

3.1 真空管道列車流場分析技術(shù)

真空管道列車高速運行過程中，復(fù)雜變化的管道壓力環(huán)境導(dǎo)致車外壓力波動及列車壓力載荷變化，激勵列車系統(tǒng)產(chǎn)生動力學(xué)響應(yīng)，使列車運行姿態(tài)產(chǎn)生變化，進(jìn)而加劇流場變化。與傳統(tǒng)高速列車流場分析相比，真空管道列車流場分析具有特殊性。真空管道形成的封閉環(huán)境使列車運行環(huán)境中的波系更為復(fù)雜，懸浮運行的列車姿態(tài)變化也需在流場分析中作為重要輸入。基于現(xiàn)有真空管道流場研究成果，在后續(xù)研究中需重點將真空管道列車姿態(tài)這一因素引入流場分析，建立計算精度較高，能夠準(zhǔn)確反映流場特性，體現(xiàn)復(fù)雜波系的產(chǎn)生、反射和傳播特性且兼顧計算效率的流場分析模型。針對不同問題，可以采用二維模型或三維模型進(jìn)行計算，提高研究效率。

3.2 真空管道列車流固耦合聯(lián)合仿真技術(shù)

真空管道列車流固耦合分析需同時進(jìn)行氣動計算和車輛動力學(xué)計算。針對高速列車流固耦合問題，李田、崔濤等提出了多種流固耦合計算方法，如離線計算、交互式計算、內(nèi)嵌式計算及平衡狀態(tài)法等，主要思路是聯(lián)合氣動計算軟件與動力學(xué)計算軟件（或程序），相互傳遞氣動載荷數(shù)據(jù)和列車姿態(tài)參數(shù)作為彼此的輸入條件。

真空管道內(nèi)波系復(fù)雜，列車處于時變載荷狀態(tài)，在激波作用下，列車局部可能形成突變載荷，尤其是在列車加速或減速狀態(tài)下。因此，在流固耦合計算中需實時傳輸時變氣動載荷數(shù)據(jù)和列車姿態(tài)參數(shù)。此外，列車姿態(tài)參數(shù)對真空管道內(nèi)波系的產(chǎn)生和傳播條件也存在影響，列車姿態(tài)變化幅度過大，會產(chǎn)生新的壓縮波或膨脹波。因此，針對真空管道列車復(fù)雜多變的流場環(huán)境及懸浮運行的車輛動力學(xué)特點，需基于現(xiàn)有高速列車流固耦合計算方法和技術(shù)，提出一套可準(zhǔn)確計算真空管道列車流固耦合問題的方法和技術(shù)。在列車動力學(xué)計算模型中應(yīng)施加時變氣動力、氣動力矩及局部氣動力，以體現(xiàn)氣動載荷的特殊性。

3.3 氣動載荷下的真空管道列車控制技術(shù)

真空管道列車懸浮運行于真空管道中，在流固耦合效應(yīng)及管道內(nèi)各種激波作用下，列車受到時變氣動載荷及沖擊載荷，其運行姿態(tài)發(fā)生改變。為避免列車姿態(tài)及氣動環(huán)境發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致列車運行安全性降低（甚至與管道發(fā)生碰撞），需在列車動力學(xué)計算模型中加入列車控制技術(shù)，將氣動載荷下的列車運行姿態(tài)變化控制于合適范圍內(nèi)，確保列車安全運行。

控制技術(shù)研究可以從2 個方面開展：一方面，設(shè)計合理的真空管道列車氣動外形，減小列車的氣動力變化；另一方面，可以在列車內(nèi)部設(shè)置懸掛及控制機構(gòu)，主動調(diào)整列車相對懸浮軌道的姿態(tài)。

4 結(jié)論與展望

真空管道列車?yán)么艖腋〖夹g(shù)和管道真空運行環(huán)境，理論上可實現(xiàn)超過1 000 km/h 的運行速度。但封閉的真空管道導(dǎo)致氣動環(huán)境復(fù)雜，同時列車懸浮運行使列車運行姿態(tài)極易發(fā)生改變，流固耦合效應(yīng)明顯。本文針對真空管道列車的流固耦合問題，對真空管道列車氣動研究進(jìn)展、軌道列車流固耦合特性研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，分析了真空管道列車流固耦合關(guān)鍵技術(shù)，得到以下結(jié)論：

1）真空管道列車管道內(nèi)氣體的阻塞效應(yīng)對列車氣動阻力系數(shù)起決定性作用?，F(xiàn)有氣動載荷特性研究局限于對真空管道列車氣動阻力的研究，而列車在實際運行中還受到升力、橫向氣動力、氣動力矩的影響，研究者需對這些氣動載荷給予關(guān)注。

2）真空管道內(nèi)存在各類激波，其氣動環(huán)境比開放流場遠(yuǎn)為復(fù)雜，且各類激波的傳播、反射相互疊加使列車運行流場環(huán)境具有高度的非穩(wěn)定性。不穩(wěn)定的激波簇結(jié)構(gòu)對列車產(chǎn)生時變氣動載荷，列車在時變的氣動升力、氣動力矩及各種沖擊性氣動載荷作用下，運行特性發(fā)生變化。

3）在軌道列車流固耦合研究中提出的聯(lián)合仿真法、內(nèi)嵌式聯(lián)合仿真法及平衡狀態(tài)法，均可作為真空管道列車流固耦合研究的參考和借鑒，但真空管道列車流固耦合研究還需考慮真空管道列車的特殊性，重點關(guān)注時變氣動載荷和局部沖擊載荷的影響。在動力學(xué)計算模型中應(yīng)施加時變氣動力、氣動力矩及局部氣動力，以體現(xiàn)氣動載荷的特殊性。

4）流固耦合效應(yīng)會導(dǎo)致列車受到的氣動載荷指標(biāo)和列車安全性指標(biāo)增大，運行安全性降低。離線流固耦合分析方法雖然具有更高的效率，但會導(dǎo)致計算結(jié)果偏離真實情況。在真空管道列車流固耦合研究中，需采用在線流固耦合計算方法。

在真空管道列車流固耦合問題研究中，需重點研究開發(fā)真空管道列車流場分析技術(shù)，關(guān)注列車姿態(tài)對流場特性的影響；開發(fā)真空管道列車流固耦合分析技術(shù)，實現(xiàn)高效準(zhǔn)確的流固雙向耦合計算，準(zhǔn)確分析列車氣動特性和動力學(xué)特性；開發(fā)真空管道列車控制技術(shù)，實現(xiàn)真空管道列車受控安全運行。

流固耦合問題是真空管道列車技術(shù)發(fā)展面臨的重要問題。在未來研究中，需進(jìn)一步借鑒傳統(tǒng)高速列車和常規(guī)磁浮列車的研究方法和手段，并積極尋求創(chuàng)新與突破。