基于流固耦合的低真空管道磁悬浮列车传热仿真研究

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为了突破现有开放大气环境下列车的速度极限,低真空管道磁悬浮列车被人们寄予厚望。这一概念的提出虽然在理论上能够实现更高的列车运行速度,但是也带来了活塞效应和散热等新问题。尽管低真空管道磁悬浮列车的相关研究工作已日渐展开,但多集中于管道内流场、压力场和气动热的研究,考虑管道内热源的传热研究相对较少。这些传热问题会直接影响列车的安全运行。本文基于流固耦合,以低真空管道磁悬浮列车管道内传热为研究对象,利用Fluent仿真软件,在三维可压缩条件下建立低真空管道磁悬浮列车三维数值计算模型。主要对不同阻塞比(0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4)、不同真空度(0.01atm~1atm)和不同列车运行速度(400~1000km/h)条件下低真空管道磁悬浮列车稳态运行时产生的温度场进行了仿真计算,分析了磁悬浮列车在低真空管道中高速运行时列车表面的温升问题,研究了在阻塞比、管道真空度和列车运行速度的影响下主要发热部件表面温升变化规律;对阻塞比为0.3,管道真空度为0.01atm、0.1atm和列车运行速度为600km/h、800km/h、1000km/h的条件下低真空管道磁悬浮列车间隔10分钟发车和制动时产生的温度场进行了仿真计算,分析了间隔发车和制动两种工况下列车表面的温升问题。对比仿真结果得出:在列车运行速度和阻塞比一定时,列车表面温度随着管道真空度的增大逐渐增大。在管道真空度较高和管道真空度较低但列车运行速度较低两种情况下,列车表面温度随阻塞比的增大逐渐降低。管道真空度较低但列车运行速度较高的情况下,列车表面温度随阻塞比的增大逐渐升高。在阻塞比一定,管道真空度较高时,列车表面温度随列车运行速度的增大逐渐降低;管道真空度较低时,列车表面温度随列车运行速度的增大逐渐升高。在本文600km/h及以上速度级的多个稳态仿真工况下,真空度0.01atm、车速600km/h,阻塞比0.15的参数组合下列车表面温度最高,为630.8766K。若无外加降温措施,在列车运行和制动的情况下,管道内发热设备表面温度随间隔发车的车次近似呈正比例函数形式的增大趋势。本文的主要创新点为:对车上设备发热、轨道发热、气动生热和阻塞作用进行综合考虑,对低真空管道磁悬浮列车的传热问题进行仿真分析,得到了管内的温升变化规律;对低真空管道磁悬浮列车在间隔发车和列车制动过程的温升规律进行研究,得到了在间隔发车和制动过程管内温升的变化规律,为低真空管道磁悬浮列车的传热理论研究、设计制造以及工程建设等工作提供参考。
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