基于粘性流體k-ε雙方程湍流模型，建立真空管道交通系統(tǒng)三維數(shù)學(xué)模型和物理模型，并在超音速狀態(tài)下對所建模型進(jìn)行數(shù)值模擬。超音速時(shí)，氣流流經(jīng)車體形成熵層，根據(jù)熵層分布規(guī)律進(jìn)一步分析系統(tǒng)內(nèi)能量的傳遞及氣動(dòng)熱的生成。結(jié)果表明:z*大熵值出現(xiàn)在車頭和車尾的鼻尖處，生成的氣動(dòng)熱z*多，該處混亂程度強(qiáng)，能量傳遞多，在車頭形成氣動(dòng)熱并在車尾積聚；熵層在車頭處環(huán)狀分布，車身處環(huán)車身輪廓分布，但車身后半段車體下方區(qū)域出現(xiàn)了小范圍的低熵熵層；在后車肩截面處，車體周圍的熵層呈“帽”狀分布，熵值較周圍降低，這部分熵層中的流速變化大，熱量傳遞快，原有的穩(wěn)定性被破壞。根據(jù)熵層的分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，車頭部位溫度較低，由車頭至車尾溫度逐漸升高，車尾車肩處溫度達(dá)到z*高。

隨著能源的不斷消耗，電商的迅猛發(fā)展，交通物流壓力持續(xù)增大，對經(jīng)濟(jì)速度的要求越來越高。因而大運(yùn)輸量、高經(jīng)濟(jì)速度的運(yùn)輸方式———真空管道交通(ETT)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，這一概念早在1904年現(xiàn)代火箭之父RobertGoddard就已經(jīng)提出，其科學(xué)性、現(xiàn)實(shí)性、發(fā)展前景得到了中國科學(xué)界的權(quán)威認(rèn)可，并迅速被提升到國家戰(zhàn)略高度，中國計(jì)劃于2035年前后建成世界第一條ETT線路。

雖然ETT的相關(guān)研究工作已經(jīng)逐步展開，但目前的工作僅限于馬赫數(shù)小于1的空氣動(dòng)力學(xué)研究，并未涉及超音速狀態(tài)下系統(tǒng)內(nèi)的氣動(dòng)熱的生成。認(rèn)為隨著列車速度的提高生成的氣動(dòng)熱也會隨之增多，而這部分氣動(dòng)熱的產(chǎn)生和積聚不僅會影響到ETT的高速高效運(yùn)行，更會直接影響系統(tǒng)的安全運(yùn)營，因此有必要對超音速狀態(tài)下系統(tǒng)內(nèi)的氣動(dòng)熱進(jìn)行研究。

超音速時(shí)，氣流流經(jīng)車體形成熵層，在熵層中，熵值就越大，混亂程度越強(qiáng)，系統(tǒng)所處狀態(tài)的穩(wěn)定情況越差，能量的轉(zhuǎn)化越多。在ETT中，通過對熵層分布規(guī)律進(jìn)行分析，研究系統(tǒng)內(nèi)能量的傳遞及氣動(dòng)熱的生成。因此，本文在速度400m/s、阻塞比為0.23、管內(nèi)壓力5×104Pa時(shí)對三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析系統(tǒng)內(nèi)熵層的變化規(guī)律。

1、數(shù)值模型
1.1、基本假設(shè)

(1)列車運(yùn)行的流場雷諾數(shù)大于105，故流場為湍流流動(dòng)，采用k-ε雙方程湍流模型建立數(shù)學(xué)模型。

(2)馬赫數(shù)大于1，建立數(shù)學(xué)模型時(shí)考慮空氣的可壓縮性。

(3)忽略了車體外部復(fù)雜結(jié)構(gòu)，假設(shè)車體為一個(gè)具有光滑外形的幾何體。

(4)為簡化計(jì)算，假設(shè)列車按直線路徑行進(jìn)，同時(shí)認(rèn)為真空管道壁面光滑，忽略輪軌接觸摩擦。

1.2、數(shù)學(xué)模型

基于粘性流體力學(xué)理論，按三維可壓縮粘性流，對ETT系統(tǒng)氣動(dòng)熱進(jìn)行數(shù)值模擬。粘性、可壓縮湍流流場采用k-ε雙方程湍流模型模擬時(shí)，其流場計(jì)算的數(shù)學(xué)模型用下面的控制方程組描述

式中，k為空氣的傳導(dǎo)流系數(shù)；T為空氣的溫度；R為通用氣體常數(shù)；空氣靜壓為p，密度為ρ，總能為E，熱流量為q，t為時(shí)間。

2、結(jié)論
在超音速狀態(tài)下，運(yùn)用流體力學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論，考慮到薄激波層的形成機(jī)理和特點(diǎn)，根據(jù)可壓縮流動(dòng)的Crocco理論，從熵層的角度出發(fā)，沿列車軸線方向分析了真空管道交通系統(tǒng)的熱壓耦合場能量傳遞及生熱機(jī)理。結(jié)果表明，z*大熵值出現(xiàn)在車頭和車尾的鼻尖處，說明此處產(chǎn)生的氣動(dòng)熱z*多，混亂程度強(qiáng)，能量傳遞多，在車頭產(chǎn)生氣動(dòng)熱并在車尾積聚；熵層在車頭處環(huán)狀分布，車身處環(huán)車身輪廓分布，但車身后半段車體下方區(qū)域出現(xiàn)了小范圍的低熵熵層；在后車肩截面處，車體周圍的熵層呈“帽”狀分布，熵值較周圍降低，這部分熵層中的流速變化大，熱量傳遞快，原有的穩(wěn)定性被破壞。根據(jù)熵層的分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，車頭部位溫度較低，由車頭至車尾溫度逐漸升高，車尾車肩處溫度達(dá)到z*高。

列車沿直線運(yùn)行時(shí)，在車頭正前方，列車前進(jìn)動(dòng)力推動(dòng)氣流前進(jìn)，氣流速度總小于列車運(yùn)行速度，并不斷被壓縮。這些動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)化為繼續(xù)壓縮前方氣體、阻礙列車前進(jìn)的壓能，即氣動(dòng)阻力；另一部分動(dòng)能則以熱的形式耗散，生成氣動(dòng)熱。氣動(dòng)熱一部分滯留在列車正前方，另一部分隨氣流擴(kuò)散到真空管道交通系統(tǒng)內(nèi)其他位置，隨列車遠(yuǎn)去而逐漸在車尾處積聚。根據(jù)熵層的分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，車頭部位溫度較低，由車頭至車尾溫度逐漸升高，車尾車肩處溫度達(dá)到z*高。