對真空管道高速列車氣動阻力特性和系統參數設計方法進行了深入系統研究，建立低壓環境下真空管道高速列車的空氣動力學計算模型，研究管道壓力、阻塞比和列車速度對列車氣動阻力的影響。在此基礎上，以明線上運行速度為400km/h的高速列車氣動阻力為限值，確定出真空管道高速交通系統的最佳管道壓力、阻塞比和列車速度關系。研究表明，在低壓(1×10³～1×10⁴Pa)環境下，真空管道中的空氣流動可以采用連續介質模型描述。高速列車的氣動阻力系數基本上與管道壓力和列車速度無關，主要依賴于阻塞比。高速列車的氣動阻力隨阻塞比的增加而增大，且與管道壓力近似成線性關系，與列車速度近似成平方關系。本文同時給出了真空管道高速交通系統最高經濟運行條件下的管道壓力、阻塞比和列車速度的計算公式，并由此確定出最佳的管道壓力、阻塞比和列車速度關系。

　　發展高速鐵路成為世界鐵路運輸發展的共同趨勢，也是鐵路技術現代化的主要標志。隨著列車運行速度的提高，許多在低速時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，高速列車所處的動態環境發生了質的變化，由機械、電氣作用為主，變成了以氣動作用為主。低速運行時，列車阻力中的氣動阻力所占比例很小，但當速度達到200和300km/h時，氣動阻力在總阻力中所占的比例將上升到70%和80%左右。高速帶來的噪聲問題更為嚴重，當列車的運行速度超高300km/h，列車運行產生的氣動噪聲將會超過輪軌噪聲，成為高速列車的主要噪聲�？朔�氣動作用是地面高速交通的主要任務。氣動阻力與速度的二次方成正比，氣動噪聲與速度的六次方成正比，這是任何地面交通工具都無法避免的客觀規律。在地表稠密的大氣層中運行的高速交通工具，其最高速度都不宜超高400km/h。然而，實現更高速度確有客觀需要，也是交通科技工作者孜孜以求的夢想。地面高速交通的障礙來自周圍介質，即稠密大氣，提速的根本途徑只能是改變介質的密度。真空管道高速交通作為下一代高速運載工具的想法應運而生。列車在抽成低氣壓的密閉管道里運行，其所處的介質發生變化，其動態環境可變為萬米高空(如達到0.2×10⁵Pa)或者宇宙(1～10Pa)，由此可以實現音速或者超音速運行。

　　目前，從全球范圍來看，真空管道高速交通尚無先例可供參考，對真空管道高速交通的設想主要有兩種：美國的ETT系統和瑞士的超高速地鐵。美國ETT公司只是對真空管道運輸系統的總體設想進行了介紹，并未對其列車空氣動力學問題進行深入研究。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的空氣動力學問題，但是只局限于大氣壓力為1×10⁴Pa，列車運行速度為400～500km/h條件下的列車空氣動力學特性。文獻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阻力的影響特性。文獻采用二維可壓縮模型研究了真空管道高速列車氣動阻力與列車速度、阻塞比和管道壓力的關系。真空管道高速列車空氣動力學的研究正處于起步階段，已有的相關研究，其計算模型都相對簡單，與實際情形差異較大。

　　目前，國內外尚未有關于真空管道高速列車氣動特性的三維數值模擬。管道壓力、阻塞比和列車速度如何影響真空管道高速列車的氣動阻力，如何科學地確定出真空管道高速交通系統的最佳管道壓力、阻塞比和列車速度關系，目前均無系統的研究�；�于此，本文建立低壓環境下真空管道高速列車空氣動力學計算的流體模型、數學模型和數值計算模型，對不同管道壓力(1×10³～1×10⁴Pa)、不同阻塞比(0.2～0.7)和不同列車速度(600～1000km/h)下的真空管道高速列車空氣動力學特性進行分析，研究管道壓力、阻塞比和列車速度對真空管道高速列車的氣動阻力系數和氣動阻力的影響。并以明線上運行速度為400km/h的高速列車氣動阻力為限值，建立了真空管道高速交通系統最高經濟運行條件下的臨界管道壓力、阻塞比和列車速度的計算公式，給出最佳的管道壓力、阻塞比和列車速度關系。

圖5 不同阻塞比和列車速度下的臨界管道壓力

　　由于真空管道高速列車氣動阻力與管道壓力成線性關系，因此固定列車速度和阻塞比時，可以由式(11)確定出管道壓力的臨界值。圖5給出了真空管道高速列車在不同列車速度和阻塞比組合下的臨界管道壓力。由圖5可以看出，當列車速度固定時，臨界管道壓力隨阻塞比的增加而減小。隨著列車速度的增加，阻塞比對臨界管道壓力的影響減弱。當車速為600km/h，阻塞比由0.2增加到0.7時，臨界管道壓力由9.5×103Pa降低到3.4×103Pa，降低了64.2%;而當列車速度為1000km/h，阻塞比由0.2增加到0.7時，臨界管道壓力由2.3×10³Pa降低到1.2×10³Pa，降低了46.7%。

　　此外，由圖5還可以看出，當阻塞比固定時，臨界管道壓力隨列車速度的增加而減小。隨著阻塞比的增加，列車速度對臨界管道壓力的影響減弱。當阻塞比為0.2，列車速度由600km/h增加到900km/h時，臨界管道壓力由9.5×10³Pa降低到2.3×10³Pa，降低了75.4%;而當阻塞比為0.7，列車速度由600km/h增加到900km/h時，臨界管道壓力由3.4×10³Pa降低到1.2×10³Pa，降低了63.4%。理想的真空管道高速交通系統應具有盡可能小的氣動阻力和盡可能高的運行速度，為實現這一目標，應盡可能地降低真空管道的管道壓力，使其接近于真空狀態，并需要盡可能地減小阻塞比。但對于實際的真空管道高速交通系統，受建設及運營成本的限制，管道壓力和阻塞比不能無限地減小。因此，在進行管道壓力和阻塞比的最優設計時，還需要進一步考慮經濟成本的影響。

4、結論

　　本文較為系統地研究了真空管道高速交通系統的管道壓力、列車速度和阻塞比對高速列車氣動阻力的影響特性和最佳管道壓力、列車速度和阻塞比的確定，主要有如下結論：

　　(1)低壓(1×10³～1×10⁴Pa)環境下，真空管道中的氣體流動可以采用連續介質模型描述。

　　(2)低壓(1×10³～1×10⁴Pa)環境下，高速列車的氣動阻力系數基本上與列車速度和管道壓力無關，主要依賴于阻塞比。

　　(3)高速列車的氣動阻力隨阻塞比的增加而增大，與管道壓力近似成線性關系，與列車速度近似成平方關系。

　　(4)真空管道高速交通系統經濟運行時的臨界管道壓力與列車速度和阻塞比成反比關系。