更快速、更安全、更环保、更节能的交通出行方式一直是人类追求的目标。但当列车运行速度超过400 km/h时,传统的高速轮轨列车诱发的气动噪声、气动阻力将急剧增大,过大的气动噪声将产生环境污染,而过大的气动阻力会增大能源消耗。传统的轮轨高速列车难以满足更高速的交通出行需求,“真空管道”+“高速列车”新型交通模式逐渐成为研究热点。由于真空管道高速列车运行速度更高,管内面临壅塞流、激波、气动热等新的气动问题。因此,研究真空管道高速列车的气动特性对未来真空管道运输系统的研制具有重要意义。本文在总结现有真空管道列车流场计算方法的基础上,研究了不同空间维度下真空管道高速列车气动特性。本文主要内容及结论如下:建立真空管道高速列车准一维绝热粘性非定常流动模型,分析管内气流临界壅塞状态,并基于流动机理对管内流动进行分类,同时利用Mac-Cormack快速求解差分格式,研究车速、环境压力、阻塞比等参数对管内气动特性的影响。研究表明:当列车处于跨音速运动状态时,管内流动壅塞,尾车鼻尖附近形成正激波,边界入口处溢出效应明显,当列车处于超音速状态时,管内流动壅塞加重,列车尾部正激波向下游移动,边界入口处溢出效应增强。环境条件变化对管内气动参数的相对分布几乎无影响。对比锥形、椭圆形、抛物形三种流线型样式,椭圆形头型有助于尾部正激波向下游移动。阻塞比对尾部激波位置几乎无影响,而随着阻塞比增大,边界入口处的溢出效应增强,尾部正激波强度增大。建立真空管道高速列车准二维定常流动计算模型,利用Sutherland方程描述气流动力粘度变化,通过SST k-ω模型预测湍流运动,研究阻塞比、车速对管内气动特性的影响。研究表明:尾车边界层分布与尾流区域的激波、膨胀波等波系是否充分发展有密切关系。当尾流波系充分发展时,增大阻塞比或减小来流马赫数有利于延迟边界层分离。在不同阻塞比下,列车各车厢阻力及表面压力最大最小值随来流马赫数变化的转折点同样与尾流波系是否充分发展有关。管道壁面压力最大最小值与列车表面的压力最大最小值变化趋势一致。与压力最大最小值不同,列车表面温度最大最小值不仅受激波、膨胀波等波系的影响,还与列车表面的边界层有关。受不同波系影响,管道壁面温度最大最小值与其压力最大最小值变化趋势一致,且存在相同的转折点。建立含动边界的真空管道高速列车准二维非定常流动计算模型,通过自适应网格捕捉激波运动,利用动态分层法实现列车运动,研究阻塞比对跨音速管内列车气动特性的影响。研究表明:阻塞比越大,管内出现完整波系的时刻越早。随着列车运动,头车及中间车的反射激波经历形成、发展及消失过程,在激波反射过程中,规则反射出现在管道壁面处,而马赫数反射出现在对称轴及头车壁面处。列车前方正激波的波速经历了快速增长阶段、第一稳定阶段、持续波动阶段及最终稳定阶段,而强度则经历了快速增长阶段、第一稳定阶段、突然减弱阶段及最终稳定阶段。与列车前方正激波相比,列车后方正激波强度较低,但由于尾流中反射激波、反射膨胀波的影响,其变化较为复杂。膨胀波使尾车壁面温度边界层变薄从而增大列车壁面温度,在尾流边界层分离后,斜激波增大尾车鼻尖处的温度。建立真空管道高速列车三维定常流动计算模型,借助分子动理论模型构建气流物理属性变化,并利用SST k-ω过渡模型预测层流-湍流的转捩状态,研究悬浮高度对三类典型流动状态的影响,研究结果表明:当列车运行速度为500、600、800 km/h时,管内流动分别处于未壅塞、开始壅塞、完全壅塞三种不同的流动状态。当管内流动开始壅塞时,尾车头型过渡区会产生明显的正激波,边界层分离点相比未壅塞状态向上游移动。当管内流动完全壅塞时,尾车司机室流线型部位会产生斜激波从而导致尾流中出现斜激波、膨胀波的反射现象,边界层在尾车流线型部位形成分离泡,在尾车鼻尖附近形成稳定且封闭的下洗涡流对并对地面产生冲击。分离流往往伴随着边界层的转捩,列车表面边界层转捩主要发生在头车头型过渡区、间隙入口区、尾车鼻部等其它分离流出现的位置。由于无滑移运动地面及较小的悬浮间隙,车地之间存在明显的地面效应,地面温度分布产生明显的空间梯度。当管内流动开始壅塞时,气流在间隙入口区由于地面效应会产生局部超音速区,超音速区内流动马赫数随车速增大而增大。气流在悬浮空间大部分区域内,流动马赫数沿下游逐渐降低,地面及车地板温度沿下游逐渐增大。减小悬浮高度使得车身、地面及管壁的最大温度增大,而提高车速等级使得地面及管壁的最小温度减小。建立真空管道高速列车三维非定常流动计算模型,结合DDES模型对SST k-ω转捩模型湍流耗散项修正,研究三类典型流动状态下的非定常气动特性。研究表明:与定常流动相比,非定常流动对列车升力波动造成了较大影响,而对列车阻力变化影响较小。与三维定常流动相比,壁面荷载、滑流速度的时均分布趋势总体上保持一致。在边界层完全分离前,瞬时边界层与时均边界层分布差异很小。边界层分离后,其边界线轮廓分布受尾涡影响很大。无论当管内流动是否壅塞,列车气动力变化的主频处于低频段。与管内流动未完全壅塞时相比,管内流动完全壅塞时,尾涡引起的压力波动主频更低,尾流大部分区域压力波动主幅值较小,悬浮空间下游位置的气动参数波动较快且波动程度较大。建立含动边界的真空管道高速列车三维非定常流动计算模型,通过动态分层法实现管内列车的运动,研究悬浮高度对跨音速列车的气动特性影响,研究结果表明:由于地面效应,悬浮高度对列车底部影响较为明显。随着悬浮高度减小,头车底部低压区、列车底部高温区的影响范围扩大。在列车纵向对称线上,悬浮高度减小对其压力几乎无影响而显著增大温度。基于管壁纵向对称线上的压力或温度分布,管内压力、温度分布可以划分为5个区间。悬浮高度减小几乎对管壁压力及温度无影响,但缩短正激波形成时间。悬浮高度减小使得地面效应及气流对地面的冲击作用增强。不同计算方法各具优劣。总体来说,定常流动计算方法无法考虑管内波系传播特性,无法准确预测列车表面气动热分布,但在压力分布、气动力计算等方面具有一定的合理性。低维模型相对于高维模型具有计算速度快的优势,能够预测管内列车表面压力及气动力的变化趋势,但失去列车实际的几何特征,无法考虑地面效应及准确预测列车表面荷载分布。