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)學模型和物理模型，并在超音速狀態(tài)下對所建模型進行數(shù)值模擬。超音速時，氣流流經(jīng)車體形成熵層，根據(jù)熵層分布規(guī)律進一步分析系統(tǒng)內能量的傳遞及氣動熱的生成。結果表明:最大熵值出現(xiàn)在車頭和車尾的鼻尖處，生成的氣動熱最多，該處混亂程度強，能量傳遞多，在車頭形成氣動熱并在車尾積聚；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，車尾車肩處溫度達到最高。

　　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)濟速度的要求越來越高。因而大運輸量、高經(jīng)濟速度的運輸方式———真空管道交通(ETT)系統(tǒng)應運而生，這一概念早在1904年現(xiàn)代火箭之父RobertGoddard就已經(jīng)提出，其科學性、現(xiàn)實性、發(fā)展前景得到了中國科學界的權威認可，并迅速被提升到國家戰(zhàn)略高度，中國計劃于2035年前后建成世界第一條ETT線路。

　　雖然ETT的相關研究工作已經(jīng)逐步展開，但目前的工作僅限于馬赫數(shù)小于1的空氣動力學研究，并未涉及超音速狀態(tài)下系統(tǒng)內的氣動熱的生成。真空技術網(wǎng)(http://www.zlyvkd.cn/)認為隨著列車速度的提高生成的氣動熱也會隨之增多，而這部分氣動熱的產(chǎn)生和積聚不僅會影響到ETT的高速高效運行，更會直接影響系統(tǒng)的安全運營，因此有必要對超音速狀態(tài)下系統(tǒng)內的氣動熱進行研究。

　　超音速時，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，系統(tǒng)所處狀態(tài)的穩(wěn)定情況越差，能量的轉化越多。在ETT中，通過對熵層分布規(guī)律進行分析，研究系統(tǒng)內能量的傳遞及氣動熱的生成。因此，本文在速度400m/s、阻塞比為0.23、管內壓力5×10⁴Pa時對三維模型進行數(shù)值模擬，分析系統(tǒng)內熵層的變化規(guī)律。

1、數(shù)值模型

　　1.1、基本假設

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

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

　　(3)忽略了車體外部復雜結構，假設車體為一個具有光滑外形的幾何體。

　　(4)為簡化計算，假設列車按直線路徑行進，同時認為真空管道壁面光滑，忽略輪軌接觸摩擦。

　　1.2、數(shù)學模型

　　基于粘性流體力學理論，按三維可壓縮粘性流，對ETT系統(tǒng)氣動熱進行數(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，其流場計算的數(shù)學模型用下面的控制方程組描述

　　式中，k為空氣的傳導流系數(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為時間。

2、結論

　　在超音速狀態(tài)下，運用流體力學和傳熱學的基本理論，考慮到薄激波層的形成機理和特點，根據(jù)可壓縮流動的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理。結果表明，最大熵值出現(xiàn)在車頭和車尾的鼻尖處，說明此處產(chǎn)生的氣動熱最多，混亂程度強，能量傳遞多，在車頭產(chǎn)生氣動熱并在車尾積聚；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，車尾車肩處溫度達到最高。

　　列車沿直線運行時，在車頭正前方，列車前進動力推動氣流前進，氣流速度總小于列車運行速度，并不斷被壓縮。這些動能一部分轉化為繼續(xù)壓縮前方氣體、阻礙列車前進的壓能，即氣動阻力；另一部分動能則以熱的形式耗散，生成氣動熱。氣動熱一部分滯留在列車正前方，另一部分隨氣流擴散到真空管道交通系統(tǒng)內其他位置，隨列車遠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，車尾車肩處溫度達到最高。