為研究真空管道中高速列車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)速度和阻塞比對(duì)真空管道高速列車(chē)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(chē)偶極子噪聲源和四極子噪聲源均與車(chē)速的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系，當(dāng)車(chē)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(chē)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(chē)氣動(dòng)噪聲源的強(qiáng)度。
　　
　　隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高及高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)的日益普遍，許多在低速時(shí)被合理忽略的問(wèn)題都逐漸浮出水面，并且在很大程度上影響著列車(chē)的提速。與普通列車(chē)相比，高速列車(chē)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(chē)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(chē)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(wú)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z*高速度都不宜超過(guò)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(wàn)米，也是為了擺脫地表稠密大氣層的作用。地面列車(chē)無(wú)法飛到萬(wàn)米高空，但是可以利用密閉的管道，通過(guò)降低管道內(nèi)部的壓力，相當(dāng)于在列車(chē)周?chē)鷦?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q*范圍來(lái)看，真空管道高速交通目前尚無(wú)先例可供參考，對(duì)真空管道高速交通的設(shè)想主要有兩種：美國(guó)的ETT系統(tǒng)和瑞士的超高速地鐵。美國(guó)ETT公司只是對(duì)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(duì)其列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(chē)輛與管道內(nèi)的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，但是只局限于大氣壓力為104Pa，列車(chē)運(yùn)行速度為400~500km/h條件下的列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性。在國(guó)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(kāi)，對(duì)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(chē)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(duì)列車(chē)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(chē)氣動(dòng)阻力與列車(chē)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(chē)氣動(dòng)阻力與列車(chē)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(chē)的氣動(dòng)阻力特性，而沒(méi)有文獻(xiàn)涉及真空管道中高速列車(chē)的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題，在真空管道中，高速列車(chē)的外部氣動(dòng)噪聲不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，但高速列車(chē)的車(chē)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(chē)的車(chē)內(nèi)氣動(dòng)噪聲與車(chē)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(duì)真空管道高速列車(chē)的氣動(dòng)噪聲源進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并研究列車(chē)速度、阻塞比和管道壓力對(duì)列車(chē)氣動(dòng)噪聲源的影響。
　　
　　1、真空管道高速列車(chē)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(lái)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(zhǎng)度L的比值，即
　　
　　錢(qián)學(xué)森z*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(guò)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(duì)于氣體而言，分子平均自由程是分子兩次碰撞之間通過(guò)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(chē)?yán)@流流動(dòng)的特征長(zhǎng)度可取為列車(chē)的高度(對(duì)于典型的高速列車(chē)，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(chē)周?chē)鲌?chǎng)流動(dòng)的Knudsen數(shù)z*大值為
　　
　　由此可知，真空管道中高速列車(chē)的流場(chǎng)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(chē)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(chē)速度和阻塞比對(duì)高速列車(chē)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(chē)偶極子噪聲源和四極子噪聲源與列車(chē)速度的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。當(dāng)列車(chē)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(chē)運(yùn)行速度的提高，四極子噪聲源變得越來(lái)越明顯，并超過(guò)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(chē)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(chē)的氣動(dòng)噪聲源。
　　
　　(4)對(duì)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z*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。