真空管道交通系统(VTT)中,列车在狭长的低压受限空间内高速行驶,那些低速并不凸显的问题(气动阻力、升力、气动噪声等)都变得不容忽视,这些问题大大降低了乘客乘坐的舒适性和安全性,成为制约VTT实现的主要因素。要想早日实现真空管道交通系统的设想,必须研究并提升其气动性能。高速列车头型的设计涉及复杂的强流固耦合问题,而解决这些问题的根本方法是对列车头部开展多目标优化。本文建立受限空间内高速列车头型的三维模型,并以列车鼻尖长度L和头部高度H为优化设计变量,以气动阻力和升力为优化目标,利用网格自动变形软件Sculptor、CFD计算软件Fluent和多学科优化设计软件Isight进行联合仿真,实现了网格的自动变形和和系统内流场的自动计算,基于遗传算法对设计变量进行自动寻优和头型的自动优化。优化完成后,得到影响优化目标阻力和升力的关键设计变量,并分析了他们之间的相关性。通过多目标优化得到一系列的Pareto最优头型。研究表明:列车头部的长度对阻力的影响比较大,贡献率达到38%;列车头部的高度能够对列车所受到的升力产生较大的影响,贡献率达到33.6%。研究了优化目标与这两个设计变量之间的非线性关系,设计变量“H”与优化目标“lift”为正相关关系,相关度为0.739;设计变量“L”与优化目标“drag”为正相关关系,相关度为0.911。最后通过对比原始流线型头型,优化后高速列车的气动阻力最多可降低2.89%,升力最多可降低1.96%。此外,为了探究真空管道高速列车气动噪声的分布规律,本文建立了低压环境下真空管道高速列车气动噪声计算模型。采用理论研究和数值模拟相结合的方法,基于Lighthill声学分析法,数值计算了低压环境下真空管道内高速列车远场气动噪声的分布规律、车身表面声功率、频谱特性以及声压等声学指标。通过建立受限空间内高速列车三维绕流流动的物理数学模型,数值模拟了低压环境下不同阻塞比和不同运行速度下高速列车的外部稳态流场。模拟结果表明:受限空间内高速列车的气动噪声是由外流作用在高速列车表面的脉动压力引起的。气流容易分离,相对流速大,湍流运动比较剧烈的地方压力梯度也大,等压线相对较密集,脉动压力变化也较剧烈,为列车车身主要的声源区域。经过频谱分析,车身表面的脉动压力具有宽频带特性;基于k-?双方程湍流模型分别计算了不同阻塞比和不同运行速度下受限空间内高速列车车身表面噪声源。模拟结果表明:不同工况下,尽管车身表面噪声源的分布规律很相似但声源强度差别很大,列车车身声功率级会随着列车运行速度的提高、阻塞比的增大而明显增大;基于SST k-?湍流模型,模拟了受限空间内高速列车的远场气动噪声,通过声压级和频谱分析,获得了真空管道列车远场气动噪声的特性,模拟结果表明:测点声压的频谱特性并不会随着速度的增加而发生显著变化。