随着科技的快速发展与人们环保理念的不断提高,铁路、公路、水路及航空等传统的交通运输方式已不能满足现代社会快速发展的需求。交通堵塞、能源危机及环境污染等问题已严重制约着社会经济与生态环境的可持续发展,为此,寻求一种低碳、环保及高效的交通运输方式已成为必然趋势。管道列车水力输送便是一种集节能与环保于一体的新型交通运输方式,不仅能较好地缓解能源短缺引起的油价上涨,还能够有效地解决大气污染与交通拥堵等问题。本文结合国家自然科学基金项目“管道列车水力输送能耗研究(51179116)”,采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法,对管道列车水力输送的管道内部流体域与管道列车固体域之间的双向流固耦合作用进行了研究,着重对管道列车在平直管段内部运移时管道内水流的流速分布、压强分布、涡量幅值、速度特性、压降特性、机械效率及力学特性进行了全面地分析。同时,基于最低设计成本原则,建立了管道列车在平直管段运移时的优化模型。本文的研究结论如下:(1)单管道车与双管道车在平直管段运移时管道内水流水力特性的模拟值与试验值基本一致。随着直径比的增加,单管道车与双管道车的平均运移速度将逐渐增大。单管道车与双管道车的瞬时速度随时间在微小的范围内呈不规则波动变化。双管道车在稳定阶段的平均间距略小于在静止阶段的初始间距,为此,可将在静止阶段的初始间距视为双管道车在运移过程时的平均间距。(2)运用FARO-LDI三维激光扫描系统获得了管道列车的表面云数据。运用Auto CAD软件建立了管道列车在平直管段运移时的几何模型,采用ICEM CFD软件对几何模型的管道内部流体域与管道列车固体域进行了网格加密。采用动量时均Navier-Stokes方程与RNG k-ε湍流模型共同求解了管道内部的流场特性,并运用自定义函数与刚体运动方程共同求解了管道列车的瞬态动力学响应特性。(3)单管道车的车前近壁面存在明显地“锥形”回流区,其车后近壁面区域的轴向流速呈指数型分布。管道内水流的径向流速分布于单管道车的车前后近壁面区域,且方向由管道中心指向管道壁面。管道内水流的周向流速分布在单管道车的车前后近壁面区域,且其车前后近壁面区域水流周向流速的方向均相同。单管道车的车前后近壁面均存在高压区,而其环状缝隙进口区域与其车前近壁面区域均存在低压区。单管道车运移时管道内水流的涡量幅值分布于环状缝隙的进口区域及环状缝隙流与回流流体掺混的交界面区域。随着直径比的增大,单管道车上游水流的压强呈先减小后增大的变化趋势,且其车前近壁面区域的压降程度将逐渐增大。(4)随着直径比与管道内水流流量的增加,单管道车的平均运移速度系数将呈增大的变化趋势。随着直径比的增加,单管道车运移时的管道平均压降系数呈先减小后增大,且当直径比为0.7时,单管道车运移时的管道平均压降系数达到最小。随着直径比的增加,单管道车的机械效率呈先增大后减小的变化趋势,且当直径比为0.7时,单管道车的机械效率将达到最大。随着管道内水流流量和直径比的增加,单管道车的平均绕流阻力系数与平均绕流升力系数均呈逐渐增大的变化趋势。(5)双管道车的车前近壁面存在明显的回流区,且其下游管道近壁面存在高流速区。管道内水流的径向流速分布于双管道车的车前后近壁面区域。管道内水流的周向流速分布在双管道车的车前后近壁面区域,且周向流速的方向均一致。双管道车的车前后近壁面存在高压区。双管道车1的环状缝隙进口存在低压区,而双管道车2的环状缝隙进口将不存在明显的低压区。管道内水流的涡量幅值分布在双管道车的环状缝隙进口区域及环状缝隙流与回流流体掺混的交界面区域。随着直径比的增大,双管道车1上游水流的压强呈先减小后增大的变化趋势,并且双管道车车前近壁面区域的压降程度将逐渐增大。随着间距的增大,双管道车1上游水流的压强呈增大的变化趋势。随着间距的增大,双管道车1的车前近壁面区域的压降幅度将逐渐减小,而双管道车2车前近壁面区域的压降幅度却保持不变。(6)随着直径比与管道内水流流量的增大,双管道车的平均运移速度系数呈增大的变化趋势。随着间距的增加,双管道车运移时的管道平均压降系数呈增长的变化趋势。随着直径比的增大,双管道车运移时的管道平均压降系数呈先减小后增大的变化趋势,且当直径比为0.7时,双管道车运移时的管道平均压降系数达到最小。随着间距的增大,双管道车的机械效率呈先增大后减小的变化趋势,且当间距为0.3 m时,双管道车的机械效率达到最大。随着直径比的增加,双管道车的机械效率呈先增大后减小的变化趋势,且当直径比为0.7时,双管道车的机械效率达到最大。随着间距的增大,双管道车1的平均绕流阻力系数逐渐降低,而双管道车2的平均绕流阻力系数呈升高的变化趋势。随着间距的增大,双管道车1的平均绕流升力系数将升高,而双管道车2的平均绕流升力系数却呈降低的变化趋势。随着管道内水流流量和直径比的增加,双管道车的平均绕流阻力系数和平均绕流升力系数均逐渐增大。(7)三管道车的车前近壁面存在“锥形”的回流区,且其下游管道近壁面存在高流速区。管道内水流的径向流速分布在三管道车的车前后近壁面区域,且其车前近壁面区域的径向流速高于其车后近壁面区域的径向流速。管道内水流的周向流速分布在三管道车的车前后近壁面区域,且周向流速的方向均一致。管道内流场的高压区分布于三管道车的车前后近壁面区域。三管道车1的环状缝隙进口存在低压区,而三管道车2和三管道车3的环状缝隙进口将不存在明显的低压区。管道内水流的涡量幅值分布在三管道车环状缝隙进口区域及环状缝隙流与回流流体掺混的交界面区域。随着直径比的增大,三管道车1上游水流的压强呈先减小后增大的变化趋势,并且三管道车的车前近壁面区域的压降程度将逐渐增大。随着间距的增大,三管道车1和三管道车2的车前近壁面区域的压降幅度将逐渐减小,而三管道车3的车前近壁面区域的压降幅度却保持不变。(8)随着直径比和管道内水流流量的增加,三管道车的平均运移速度系数呈增大的变化趋势。随着间距的增加,三管道车运移时的管道平均压降系数呈增大的变化趋势。随着直径比的增大,三管道车运移时的管道平均压降系数呈先减小后增大,且当直径比为0.7时,三管道车运移时的管道平均压降系数达到最小。随着间距的增大,三管道车的机械效率呈先增大后减小的变化趋势,且当间距为0.3 m时,三管道车的机械效率达到最大。随着直径比的增加,三管道车的机械效率呈先增大后减小的变化趋势,且当直径比为0.7时,三管道车的机械效率达到最大。随着间距的增大,三管道车1的平均绕流阻力系数降低,而三管道车2和三管道车3的平均绕流阻力系数却呈逐渐升高的变化趋势。随着间距的增大,三管道车1的平均绕流升力系数升高,而三管道车2和三管道车3的平均绕流升力系数呈降低的变化趋势。随着管道内水流流量和直径比的增加,三管道车的平均绕流阻力系数和平均绕流升力系数均逐渐增大。(9)由于管道流体与管道列车之间存在相互作用,使得管道列车在平直管段运移时管道内水流的水力特性呈非恒定性的变化趋势。不同时刻管道列车在平直管段运移时其近壁面区域的轴向流速分布、径向流速分布、周向流速分布以及涡量幅值分布均呈基本一致,未出现随时间的周期性变化趋势。随着运移时间的增长,管道列车近壁面区域的压强分布呈逐渐降低的变化趋势。(10)基于设计总成本最低的原则,且考虑到流体与机械两个方面的内容,首次建立了管道列车水力输送的优化模型。优化模型的设计总成本包括输送管道和管道列车的制造成本与管道系统的电力成本等两个部分。优化模型的研究目的是寻找出管道列车水力输送优化模型的最优管道直径以及最优管道直径相对应的离心泵机组的电功率。随着管道直径的增加,管道列车在平直管段运移时优化模型的设计总成本将呈先减小后增大的变化趋势。随着直径比的增大,最优管道直径相对应的管道列车运移时设计总成本呈先减小后增大的变化趋势,且当直径比为0.7时,管道列车运移时最优直径相对应的设计总成本将达到最小。随着直径比的增大,最优管道直径相对应的管道系统的电力成本和离心泵机组的电功率均呈先减小后增大的变化趋势。随着间距的增大,管道列车运移时最优管道直径基本保持不变。随着间距的增大,最优管道直径相对应的管道列车运移时的设计总成本和离心泵机组的电功率均呈逐渐增大的变化趋势。本文的研究结论为进一步探究管道列车在工程实践中的应用提供了理论依据。