真空管道高速列车气动噪声源特性分析

　　为研究真空管道中高速列车的气动噪声源特性，建立低压环境下真空管道高速列车空气动力学计算的流体模型、数学模型和数值模型，以及高速列车偶极子噪声源和四极子噪声源的计算模型，研究管道压力、列车速度和阻塞比对真空管道高速列车偶极子噪声源和四极子噪声源的影响。计算结果表明，在低压(103~104Pa)环境下，真空管道中的空气流动可以采用连续介质模型描述。高速列车偶极子噪声源和四极子噪声源均与车速的对数成线性关系，当车速为600km/h时，四极子噪声源较小，偶极子噪声源占据主导地位，随着列车速度的提高，四极子噪声源变得明显，并占据主导地位。降低管道压力和阻塞比可以有效减小高速列车气动噪声源的强度。

　　随着列车运行速度的提高及高速列车运营的日益普遍，许多在低速时被合理忽略的问题都逐渐浮出水面，并且在很大程度上影响着列车的提速。与普通列车相比，高速列车所处的动态环境发生了质的变化，由机械、电气作用为主，变成了以气动作用为主。高速列车的气动阻力与运动速度的二次方成正比，且高速列车运行产生的气动噪声更与运行速度的六次方到八次方成正比。这是任何地面形式的地面交通工具都无法避免的客观规律。在地表稠密大气层中运行的高速交通工具，其最高速度都不宜超过400km/h。为在地面上获得更高的运行速度，其根本途径只能是改变介质的密度。干线飞机的巡航高度达到万米，也是为了摆脱地表稠密大气层的作用。地面列车无法飞到万米高空，但是可以利用密闭的管道，通过降低管道内部的压力，相当于在列车周围创造出低密度的介质环境，可以摆脱气动阻力和气动噪声的困扰，在理论上可以实现任意高速度的运行，真空管道高速交通作为下一代高速运载工具的想法应运而生。从全球范围来看，真空管道高速交通目前尚无先例可供参考，对真空管道高速交通的设想主要有两种：美国的ETT系统和瑞士的超高速地铁。美国ETT公司只是对真空管道运输系统的总体设想进行了介绍，并未有对其列车空气动力学问题进行深入研究。瑞士超高速地铁工程研究的主要课题中虽然包含了高速车辆与管道内的空气动力学问题，但是只局限于大气压力为10⁴Pa，列车运行速度为400~500km/h条件下的列车空气动力学特性。在国内，2004年12月18日，由沈志云、钟山联合发起的/真空管道高速交通0院士学术报告会在西南交通大学顺利召开，对真空管道高速交通系统的科学性、现实性、发展前景及重大意义等进行讨论。真空管道高速列车空气动力学的研究正处于起步阶段，相关的研究工作还非常少，文献采用二维不可压缩模型研究了真空管道中阻塞比对列车气动阻力的影响特性。文献采用二维可压缩模型研究了真空管道高速列车气动阻力与列车速度、阻塞比和管道压力的关系。文献采用三维可压缩模型研究了真空管道高速列车气动阻力与列车速度、阻塞比和管道压力的关系。目前已有的研究工作主要是关注真空管道中高速列车的气动阻力特性，而没有文献涉及真空管道中高速列车的气动噪声问题，在真空管道中，高速列车的外部气动噪声不会对环境产生影响，但高速列车的车内气动噪声会影响旅客的乘坐舒适性。真空管道中高速列车的车内气动噪声与车身表面的气动噪声源有关，本文采用三维可压缩模型对真空管道高速列车的气动噪声源进行数值计算，并研究列车速度、阻塞比和管道压力对列车气动噪声源的影响。

　　1、真空管道高速列车空气动力学模型

　　1.1、流体模型

　　随着真空管道内部管道压力的减小，真空管道中气体的密度随着减小，气体的稀薄效应变得越来越明显。气体流动的稀薄程度可以采用Knudsen数表示。Knudsen数(Kn)定义为分子平均自由程K与流动特征长度L的比值，即

　　钱学森最早根据稀薄程度将气体流动分为三大领域，即滑移领域(0.01<Kn<0.1)、过渡领域(0.1<Kn<10)和自由分子流领域(Kn>10)。而当Kn<0.01时，可以认为流动处于连续领域内，在这一领域内可以采用连续介质模型描述气体的流动。对于气体而言，分子平均自由程是分子两次碰撞之间通过的平均距离。当采用硬球模型时，分子平均自由程可以表示为

　　式中，n表示分子的数密度，d表示分子直径。压力和温度满足完全气体关系式

　　式中，p表示压力；T表示温度；n表示气体的数量密度；kB表示Boltzmann常数，kB=1.3805×10^-23。从而，分子的平均自由程可以表示为

　　当温度为298K时，标准大气压下的分子的平均自由程为K=6.11 ×10^-8 m。本文中，真空管道内的管道压力变化范围是：10³~10⁴Pa，相应的分子平均自由程的变化范围是6.11×10^-7~6.11×10^-6 m。高速列车绕流流动的特征长度可取为列车的高度(对于典型的高速列车，其高度值可以取为3.7m)。由此可知，本文中，真空管道中高速列车周围流场流动的Knudsen数最大值为

　　由此可知，真空管道中高速列车的流场可以采用连续介质模型描述。

　　4、结论

　　本文建立真空管道中高速列车空气动力学模型和气动噪声源分析模型，较为系统地研究了管道压力、列车速度和阻塞比对高速列车表面偶极子噪声源和四极子噪声源的影响，主要有如下结论：

　　(1)在低压(10³~10⁴Pa)环境下，真空管道中的气体流动可以采用连续介质模型描述。

　　(2)真空管道中，高速列车偶极子噪声源和四极子噪声源与列车速度的对数成线性关系。当列车速度较低时，四极子噪声源较小，偶极子噪声源占据主导地位，随着列车运行速度的提高，四极子噪声源变得越来越明显，并超过偶极子噪声源而占据主导地位。

　　(3)真空管道中，高速列车偶极子噪声源和四极子噪声源随着管道压力和阻塞比的增加而增大，减小管道压力和阻塞比可以有效降低高速列车的气动噪声源。

　　(4)对于实际的真空管道高速交通系统，在进行管道压力和阻塞比的最优设计时，既需要考虑气动特性的影响，还需要考虑经济成本的影响。