為研究真空管道中高速列車的氣動(dòng)噪聲源特性，建立低壓環(huán)境下真空管道高速列車空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算的流體模型、數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模型，以及高速列車偶極子噪聲源和四極子噪聲源的計(jì)算模型，研究管道壓力、列車速度和阻塞比對真空管道高速列車偶極子噪聲源和四極子噪聲源的影響。計(jì)算結(jié)果表明，在低壓(103~104Pa)環(huán)境下，真空管道中的空氣流動(dòng)可以采用連續(xù)介質(zhì)模型描述。高速列車偶極子噪聲源和四極子噪聲源均與車速的對數(shù)成線性關(guān)系，當(dāng)車速為600km/h時(shí)，四極子噪聲源較小，偶極子噪聲源占據(jù)主導(dǎo)地位，隨著列車速度的提高，四極子噪聲源變得明顯，并占據(jù)主導(dǎo)地位。降低管道壓力和阻塞比可以有效減小高速列車氣動(dòng)噪聲源的強(qiáng)度。

　　隨著列車運(yùn)行速度的提高及高速列車運(yùn)營的日益普遍，許多在低速時(shí)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(dòng)態(tài)環(huán)境發(fā)生了質(zhì)的變化，由機(jī)械、電氣作用為主，變成了以氣動(dòng)作用為主。高速列車的氣動(dòng)阻力與運(yùn)動(dòng)速度的二次方成正比，且高速列車運(yùn)行產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲更與運(yùn)行速度的六次方到八次方成正比。這是任何地面形式的地面交通工具都無法避免的客觀規(guī)律。在地表稠密大氣層中運(yùn)行的高速交通工具，其最高速度都不宜超過400km/h。為在地面上獲得更高的運(yùn)行速度，其根本途徑只能是改變介質(zhì)的密度。干線飛機(jī)的巡航高度達(dá)到萬米，也是為了擺脫地表稠密大氣層的作用。地面列車無法飛到萬米高空，但是可以利用密閉的管道，通過降低管道內(nèi)部的壓力，相當(dāng)于在列車周圍創(chuàng)造出低密度的介質(zhì)環(huán)境，可以擺脫氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲的困擾，在理論上可以實(shí)現(xiàn)任意高速度的運(yùn)行，真空管道高速交通作為下一代高速運(yùn)載工具的想法應(yīng)運(yùn)而生。從全球范圍來看，真空管道高速交通目前尚無先例可供參考，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(yùn)輸系統(tǒng)的總體設(shè)想進(jìn)行了介紹，并未有對其列車空氣動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)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(dòng)力學(xué)問題，但是只局限于大氣壓力為10⁴Pa，列車運(yùn)行速度為400~500km/h條件下的列車空氣動(dòng)力學(xué)特性。在國內(nèi)，2004年12月18日，由沈志云、鐘山聯(lián)合發(fā)起的/真空管道高速交通0院士學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)在西南交通大學(xué)順利召開，對真空管道高速交通系統(tǒng)的科學(xué)性、現(xiàn)實(shí)性、發(fā)展前景及重大意義等進(jìn)行討論。真空管道高速列車空氣動(dòng)力學(xué)的研究正處于起步階段，相關(guān)的研究工作還非常少，文獻(xiàn)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(dòng)阻力的影響特性。文獻(xiàn)采用二維可壓縮模型研究了真空管道高速列車氣動(dòng)阻力與列車速度、阻塞比和管道壓力的關(guān)系。文獻(xiàn)采用三維可壓縮模型研究了真空管道高速列車氣動(dòng)阻力與列車速度、阻塞比和管道壓力的關(guān)系。目前已有的研究工作主要是關(guān)注真空管道中高速列車的氣動(dòng)阻力特性，而沒有文獻(xiàn)涉及真空管道中高速列車的氣動(dòng)噪聲問題，在真空管道中，高速列車的外部氣動(dòng)噪聲不會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生影響，但高速列車的車內(nèi)氣動(dòng)噪聲會(huì)影響旅客的乘坐舒適性。真空管道中高速列車的車內(nèi)氣動(dòng)噪聲與車身表面的氣動(dòng)噪聲源有關(guān)，本文采用三維可壓縮模型對真空管道高速列車的氣動(dòng)噪聲源進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并研究列車速度、阻塞比和管道壓力對列車氣動(dòng)噪聲源的影響。

　　1、真空管道高速列車空氣動(dòng)力學(xué)模型

　　1.1、流體模型

　　隨著真空管道內(nèi)部管道壓力的減小，真空管道中氣體的密度隨著減小，氣體的稀薄效應(yīng)變得越來越明顯。氣體流動(dòng)的稀薄程度可以采用Knudsen數(shù)表示。Knudsen數(shù)(Kn)定義為分子平均自由程K與流動(dòng)特征長度L的比值，即

　　錢學(xué)森最早根據(jù)稀薄程度將氣體流動(dòng)分為三大領(lǐng)域，即滑移領(lǐng)域(0.01<Kn<0.1)、過渡領(lǐng)域(0.1<Kn<10)和自由分子流領(lǐng)域(Kn>10)。而當(dāng)Kn<0.01時(shí)，可以認(rèn)為流動(dòng)處于連續(xù)領(lǐng)域內(nèi)，在這一領(lǐng)域內(nèi)可以采用連續(xù)介質(zhì)模型描述氣體的流動(dòng)。對于氣體而言，分子平均自由程是分子兩次碰撞之間通過的平均距離。當(dāng)采用硬球模型時(shí)，分子平均自由程可以表示為

　　式中，n表示分子的數(shù)密度，d表示分子直徑。壓力和溫度滿足完全氣體關(guān)系式

　　式中，p表示壓力；T表示溫度；n表示氣體的數(shù)量密度；kB表示Boltzmann常數(shù)，kB=1.3805×10^-23。從而，分子的平均自由程可以表示為

　　當(dāng)溫度為298K時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的分子的平均自由程為K=6.11 ×10^-8 m。本文中，真空管道內(nèi)的管道壓力變化范圍是：10³~10⁴Pa，相應(yīng)的分子平均自由程的變化范圍是6.11×10^-7~6.11×10^-6 m。高速列車?yán)@流流動(dòng)的特征長度可取為列車的高度(對于典型的高速列車，其高度值可以取為3.7m)。由此可知，本文中，真空管道中高速列車周圍流場流動(dòng)的Knudsen數(shù)最大值為

　　由此可知，真空管道中高速列車的流場可以采用連續(xù)介質(zhì)模型描述。

　　4、結(jié)論

　　本文建立真空管道中高速列車空氣動(dòng)力學(xué)模型和氣動(dòng)噪聲源分析模型，較為系統(tǒng)地研究了管道壓力、列車速度和阻塞比對高速列車表面偶極子噪聲源和四極子噪聲源的影響，主要有如下結(jié)論：

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

　　(2)真空管道中，高速列車偶極子噪聲源和四極子噪聲源與列車速度的對數(shù)成線性關(guān)系。當(dāng)列車速度較低時(shí)，四極子噪聲源較小，偶極子噪聲源占據(jù)主導(dǎo)地位，隨著列車運(yùn)行速度的提高，四極子噪聲源變得越來越明顯，并超過偶極子噪聲源而占據(jù)主導(dǎo)地位。

　　(3)真空管道中，高速列車偶極子噪聲源和四極子噪聲源隨著管道壓力和阻塞比的增加而增大，減小管道壓力和阻塞比可以有效降低高速列車的氣動(dòng)噪聲源。

　　(4)對于實(shí)際的真空管道高速交通系統(tǒng)，在進(jìn)行管道壓力和阻塞比的最優(yōu)設(shè)計(jì)時(shí)，既需要考慮氣動(dòng)特性的影響，還需要考慮經(jīng)濟(jì)成本的影響。