低真空管道超声速列车主动热防护方法

本发明属于真空管道交通系统中热防护，尤其涉及低真空管道超声速列车主动热防护方法。

背景技术：

1、高速列车低真空管道系统设计时速超过1000公里，实现如此高速的关键在于管内创造的低气压(正常大气压的1/1000～1/10倍)环境。

2、管道列车属于大阻塞比、低真空环境的全新一代超高速交通运输系统。与传统高速列车行驶环境不同，大阻塞比、封闭空间的管道内存在高速气流引起的传热流动。列车在封闭管道内超高速运行引起的活塞效应，以及管道壁面与列车表面的高速相对运动造成封闭空间内的气体被剧烈压缩、摩擦，形成了强烈的气动热效应。壅塞流动现象和激波的出现，进一步恶化了管内环境，造成管道内局部热载荷升高。列车周围流场及局部极端热载荷会造成车体表面发生热损伤、热破坏，降低车体气动性能，带来严重的行车安全隐患，需要一定的热防护方法加以缓解。

3、当前低真空管道高速列车工程化进展缓慢，尤其要实现列车更高速度运行，势必跨越声速，由此诱发形成复杂极端的气动热环境，仅仅依靠传统轨道列车热防护模式已难以满足未来超声速管道列车的热防护需求。因此，亟需根据流动结构确定列车气动热载荷，从而利用高效的主动热防护技术加以缓解。

4、主动热防护被广泛用于高超声速飞行器及航空发动机的热防护系统，往往又被成为主动冷却。主动冷却通过冷却剂带走热量，以此避免壁面温度过高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了低真空管道超声速列车主动热防护方法,针对不同的管内流动状态，对超声速列车表面采用不同的主动热防护技术，通过理论分析和数值计算，实现对壅塞流动下的列车车头气膜冷却逆向喷射系统设计和非壅塞流动下的车身高热载荷区域发汗冷却系统布置设计，同时采用自启动控制系统，达到对列车表面的高效热防护。

2、本发明目的通过下述技术方案来实现：

3、一种低真空管道超声速列车主动热防护方法，所述方法包括：

4、获取低真空管道超声速列车的阻塞比、马赫数和设计运行速度并根据壅塞理论判断管内流动状态；

5、当所述管内流动状态为壅塞流动时，采用阻碍高温气流与壁面之间的热量传递的方式进行热防护；

6、当所述管内流动状态为非壅塞流动时，采用阻碍高温气流与壁面之间的热量传递的同时转移列车表面热量的方式进行热防护。

7、进一步的，所述阻碍高温气流与壁面之间的热量传递具体包括：

8、在车头驻点处采用冷却剂逆向喷流，使高温来流和壁面之间形成一层气膜。

9、进一步的，所述阻碍高温气流与壁面之间的热量传递的同时转移列车表面热量具体包括：

10、使冷却剂在压力的驱动下流过多孔材料或层板制成的壁面，渗入到高温气流，在对应的集中热载荷区形成一层均匀且连续的膜结构。

11、进一步的，所述列车安装有基于行车速度和驻点温度共同影响的气膜冷却逆向喷射自启动控制系统；

12、气膜冷却逆向喷射自启动控制系统的控制方法包括：

13、当行车速度未达到设计运行速度，驻点温度小于服役上限温度，系统不启动；

14、当驻点温度达到服役上限温度和/或行车速度达到设计运行速度时，系统正常启动。

15、进一步的，所述气膜冷却逆向喷射自启动控制系统的安装方式包括：

16、通过计算流体力学，求解壅塞流动状态下的低真空管道超声速列车表面气动热载荷，获得驻点处热载荷量；

17、根据驻点处热载荷量分析气膜冷却下主流与冷却流的掺混情况并从工程角度设计几何结构参数，安装气膜冷却逆向喷射自启动控制系统。

18、进一步的，所述列车安装有基于行车速度和各区域温度共同影响的气膜冷却逆向喷射自启动控制系统；

19、气膜冷却逆向喷射自启动控制系统的控制方法包括：

20、当行车速度未达到设计运行速度，各区域温度小于服役上限温度，系统不启动；

21、当任意区域温度达到服役上限温度时，对应区域的系统正常启动；

22、当行车速度达到设计运行速度时，所有区域的系统正常启动。

23、进一步的，所述系统的安装方式包括：

24、通过计算流体力学，求解非壅塞流动状态下的低真空管道超声速列车表面高热载荷区；

25、根据高热载荷区析发汗冷却下主流与冷却流的相互作用，将冷却剂压力仓分别布置在列车表面的热载荷集中区，并于每个区布设温度传感器，安装气膜冷却逆向喷射自启动控制系统。

26、进一步的，所述马赫数大于1。

27、本发明的有益效果在于：

28、(1)本发明公开了一种低真空管道超声速列车主动热防护方法，该方法的优势在于针对不同的管内流动状态，对超声速列车表面采用不同的主动热防护技术，通过理论分析和数值计算，实现对壅塞流动下的列车车头气膜冷却逆向喷射系统设计和非壅塞流动下的车身高热载荷区域发汗冷却系统布置设计，同时采用自启动控制系统，达到对列车表面的高效热防护。

29、(2)采用本发明的主动热防护方法能够使低真空管道超声速列车周围流场得到改善，极端热载荷有效降低，不仅能提升车体气动性能，更能避免列车局部结构的热超限、热变形等热问题，从一定程度上消除行车安全隐患，可为未来低真空管道超声速列车系统热防护系统设计和工程推广应用提供支撑。

技术特征：

1.一种低真空管道超声速列车主动热防护方法，其特征在于，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的低真空管道超声速列车主动热防护方法，其特征在于，所述阻碍高温气流与壁面之间的热量传递具体包括：

3.如权利要求1所述的低真空管道超声速列车主动热防护方法，其特征在于，所述阻碍高温气流与壁面之间的热量传递的同时转移列车表面热量具体包括：

4.如权利要求2所述的低真空管道超声速列车主动热防护方法，其特征在于，所述列车安装有基于行车速度和驻点温度共同影响的气膜冷却逆向喷射自启动控制系统；

5.如权利要求4所述的低真空管道超声速列车主动热防护方法，其特征在于，所述气膜冷却逆向喷射自启动控制系统的安装方式包括：

6.如权利要求3所述的低真空管道超声速列车主动热防护方法，其特征在于，所述列车安装有基于行车速度和各区域温度共同影响的气膜冷却逆向喷射自启动控制系统；

7.如权利要求6所述的低真空管道超声速列车主动热防护方法，其特征在于，所述系统的安装方式包括：

8.如权利要求1所述的低真空管道超声速列车主动热防护方法，其特征在于，所述马赫数大于1。

技术总结
本发明公开了低真空管道超声速列车主动热防护方法，该方法包括：获取低真空管道超声速列车的阻塞比、马赫数和设计运行速度并根据壅塞理论判断管内流动状态；当所述管内流动状态为壅塞流动时，采用阻碍高温气流与壁面之间的热量传递的方式进行热防护；当所述管内流动状态为非壅塞流动时，采用阻碍高温气流与壁面之间的热量传递的同时转移列车表面热量的方式进行热防护。本发明使得低真空管道超声速列车周围流场得到改善，极端热载荷有效降低，不仅能提升车体气动性能，更能避免列车局部结构的热超限、热变形等热问题，从一定程度上消除行车安全隐患。

技术研发人员：袁艳平,余秋君,蒋福建
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29