真空管道列车悬浮电磁铁散热性能研究

魏龙涛，胡站伟，杨升科，郭奇灵

（中国空气动力研究与发展中心 结冰与防除冰重点实验室，四川 绵阳 621000）

随着社会的不断进步，人们对于出行交通工具速度的要求越来越高。目前，最快的出行方式是乘坐飞机，然而，飞机受天气的影响比较严重，且运载量相对较小。在地面轨道运输中，由于稠密大气的存在，空气阻力对高速列车的影响不容忽视。有关数据表明，当列车的行驶速度大于400 km/h时，空气阻力会超过列车运行总阻力的80%。同时，随着列车行驶速度的提升，行驶过程中的气动噪声也会急剧增加。因此，在地面大气环境中，列车的最高行驶速度一般不会超过400 km/h。

真空管道列车采用“真空管道+磁浮列车”技术，使列车在真空环境中行驶，从而减小列车行驶过程中的空气阻力和气动噪声，可实现全天候的地面高速运输。2021年1月13日，西南交通大学启用的高温超导高速磁浮工程化样车试验线，其最高行驶速度预计将大于600 km/h。该项目的启用，进一步提升了建设真空管道列车的可行性。

真空管道列车由于其环保性和节能性，是未来最具有发展潜力的高速铁路运输，但也具有许多新的挑战。例如，磁浮列车悬浮电磁铁在运行过程中，在产生磁场的同时会产生大量热，在地面环境时，走行风可以快速将产生的热带走，但在低真空环境下，走行风的散热效果会降低很多。在密封管道中，列车高速运动产生的气动热不能像在露天环境中那样散发到周围环境中去，并且会不断聚集，导致管道内温度越来越高，影响悬浮电磁铁的散热，而当电磁铁的温度超过一定值时，会导致电磁铁不可逆的退磁，影响行车安全。近年来，已有很多学者和研究人员开展了对真空管道列车的研究。周晓等研究了真空管道中阻塞度以及管道环境压力对列车空气阻力的影响规律。周鹏等对超级列车在低真空环境中运行时的流场结构及气动热的变化规律进行了研究。包世杰等研究了不同初始环境温度对管道列车气动热环境的影响。张克锐等研究了真空管道列车运行马赫数对气动噪声的变化规律。刘少克等仿真分析了磁浮列车用混合电磁铁电流与温度场的关系。以上研究主要集中在对整车气动阻力、气动噪声以及气动热等方面，关于真空环境对悬浮电磁铁散热性能的研究较少。

本文利用Fluent软件，研究了高速磁浮列车悬浮电磁铁表面温度随真空度及环境温度的变化规律，并对Realizable-和RNG-两种湍流模型的计算结果进行了对比。

1 三维模型

图1为简化后的三维模型，包括悬浮电磁铁、整流罩、长定子、辅助装置，磁浮列车在稳定运行时，电磁铁上表面与长定子下表面之间的距离约为10 mm。电磁铁由线圈和铁芯组成，通过控制线圈中电流的大小来产生磁场，线圈中电流的电阻损耗是造成电磁铁温升的热源。在仿真计算时，将线圈和铁芯看成是一个整体的体热源，并忽略单个电磁铁与电磁铁之间的间隙，简化后的电磁铁俯视图如图2所示。在本次研究中，将体热源简化为面热源，只对流体域进行计算，通过分析电磁铁的表面温度来研究电磁铁温度随真空度及环境温度的变化规律。

图1 三维模型 Fig.1 Simulation model

图2 电磁铁俯视图 Fig.2 The top view of electromagnet

电磁铁中的热源是由线圈电阻损耗产生的。在Fluent计算中，用等效面热源处理，热源项按式（1）计算。

式中：为线圈的单位面积发热功率；为线圈电流；为线圈电阻；为电磁铁总表面积。在本次研究中，假设电磁铁供电电流为30 A，经计算，电磁铁的表面热源项为2 880 W/m。

2 仿真计算

2.1 计算工况及边界条件

在未来，真空管道列车将主要用于长途载人运输，真空管道的长度一般为几十到几千公里。根据中国空气动力研究与发展中心3 m×2 m结冰风洞真空系统的使用经验，在长距离管道中，很难形成高真空环境，并且，在高真空环境中，一旦车体发生泄露，会对车厢内乘客的生命安全造成威胁。因此，本文只研究在低真空环境下真空度（0~80 kPa）对电磁铁温升变化规律的影响。目前高速列车的行驶速度一般不会超过300 km/h，即使未来建成真空管道列车，也不会马上提速太多，故本文研究的列车行驶速度为600 km/h。电磁铁处于列车运行稳定时的悬浮状态，面热源为2 880 W/m。

计算区域如图3所示，入口和出口设置为压力远场，壁面设置为固定壁面，湍流模型采用Realizable-模型，壁面函数选用Enhanced wall treatment。网格划分时，采用四面体网格单元，网格总数约1 700万。真空度和环境温度根据具体的计算工况进行设置，见表1。其中，真空度定义为：真空度=标准大气压强-绝对压强。

图3 计算区域 Fig.3 Calculation area

表1 计算工况 Tab.1 Calculation conditions

2.2 数学模型

在真空管道中，随着真空度的升高，空气稀薄效应越来越明显，稀薄程度可用Knudsen数表示：

式中：为Knudsen数；为分子平均自由程；为流动特征长度。

当＜0.001时，流动处于连续介质区，根据文献[11]和[21]中作者对真空管道中的流动状态分析可知，在本文研究的真空度及温度范围内，流体处于连续流状态。连续流体的流动与传热包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程3个基本守恒方程，分别为：

式中：为流体密度；、、分别为速度在方向上的速度分量。

式中：为压力；为运动黏度；U为方向的速度分量。

式中：为热扩散系数；为流体温度。

3 结果与分析

3.1 真空度的影响

磁浮列车在高速运行时，悬浮电磁铁主要是通过高速气流进行对流换热。对流换热系数与雷诺数有关，湍流时，雷诺数越大，对流换热系数越大。雷诺数又与空气密度有关，真空环境下，空气密度降低，雷诺数减小，使得对流换热系数减小，因此电磁铁散热能力减弱。

速度为600 km/h，环境温度为303 K，真空度分别为0、20、40、60、80 kPa时，电磁铁上表面的温度分布如图4所示（云图自上向下为入口至出口方向）。由图4可以看出，第3块和第4块电磁铁之间出现了一个局部高温区，这是模型由于自身结构，气流在该部位产生分离和回流，对流换热不均匀，同时本次研究只对流场区域进行研究，只考虑了电磁铁表面的对流换热，忽略了电磁铁的自身导热，从而造成电磁铁表面局部温度过高，因此主要对电磁铁表面的平均温度进行分析。图4中，电磁铁表面温度非对称分布，电磁铁左侧温度略高于右侧，出口位置温度高于入口位置。本文选取的是列车第1段电磁铁，越靠后，走行风的散热效果会越低，因此需逐段采取措施加强电磁铁换热。

图4 不同真空度下电磁铁表面温度分布云图 Fig.4 Surface temperature distribution of electromagnet under different vacuum degrees

电磁铁表面平均温度和最高温度随真空度的变化曲线如图5所示。由图5a可知，真空度分别为0、20、40、60、80 kPa时，电磁铁表面的平均温度分别为343.2、348.4、356.6、372.4、416.5 K。真空度每增加20 kPa时，电磁铁表面平均温度分别依次增加了5.2、8.2、15.8、44.1 K。随着真空度的增加，电磁铁温度的增加速度越来越快，特别是当真空度大于60 kPa时，电磁铁表面的平均温度增加超过40 K。由图5b可以看出，电磁铁表面最高温度的增加趋势与电磁铁表面平均温度的增加趋势基本一致。因此， 就电磁铁散热性能方面考虑，真空管道列车运行时的真空度不应超过60 kPa。

图5 电磁铁表面平均温度和最高温度随真空度的变化曲线 Fig.5 Curve of average (a) and maximum (b) surface temperature of electromagnet with vacuum degree

3.2 环境温度的影响

速度为600 km/h，真空度为0 kPa，环境温度分 别为283、293、303、313、323 K时，电磁铁上表面温度分布如图6所示。

图6 不同环境温度下电磁铁表面温度分布云图 Fig.6 Surface temperature distribution of electromagnet under different ambient temperature

电磁铁表面平均温度和最高温度随环境温度的变化曲线如图7所示。环境温度从283 K依次增加到323 K时，电磁铁表面的平均温度分别为321.8、 332.6、343.2、353.8、364.3 K。可以看出，环境温度增加每10 K，电磁铁平均温度相应地增加大约10 K，呈近似线性关系增加。由图7b可以看出，环境温度较低时，环境温度变化对电磁铁表面最高温度的影响比较显著，随着环境温度升高，对电磁铁表面最高温度的影响逐渐变缓。比较图5与图7可以看出，环境温度对电磁铁散热性能的影响要小于真空度对电磁铁的影响。

图7 电磁铁表面平均温度和最高温度随 环境温度的变化曲线 Fig.7 Curve of average (a) and maximum (b) surface temperature of electromagnet with ambient temperature

3.3 不同湍流模型结果对比

速度为600 km/h，真空度为60 kPa，环境温度为303 K，湍流模型分别为Realizable-模型和RNG-时的电磁铁表面温度分布如图8所示。由图8可以看 出，2种湍流模型下形成局部高温区的位置基本相同，均在第3块和第4块电磁铁之间，但Realizable湍流模型形成的高温区比RNG湍流模型形成的高温区稍宽。2种湍流模型电磁铁表面的平均温度分别是372.4、364.7 K，Realizable湍流模型的电磁铁表面平均温度相较RNG湍流模型高7.7 K。

图8 不同湍流模型电磁铁表面温度分布云图 Fig.8 Surface temperature distribution of electromagnet under different turbulence models

4 结论

本文通过对真空管道磁浮列车稳定运行时的电磁铁温度场进行仿真，研究了电磁铁温度场随真空度及环境温度变化的规律，得到以下结论：

1）当列车在环境温度为303 K的真空管道中以600 km/h速度运行时，电磁铁温度随真空度的增大而升高。当真空度超过60 kPa时，电磁铁温度会快速升高。

2）当真空管道内环境温度升高时，电磁铁表面平均温度随环境温度的升高，以近似线性的关系升高。在设计真空管道列车时，需考虑夏季恶劣高温条件以及列车在管道中产生的气动热对电磁铁散热性能的影响。

3）湍流模型分别为Realizable-模型和RNG-模型时，电磁铁温度场分布基本相同，但Realizable 湍流模型的电磁铁表面平均温度比RNG湍流模型高7.7 K。