超级高铁流动诱发振动的单向与双向耦合效应

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：One-Way and Two-Way Coupling Effects on Hyperloop Flow-Induced Vibration

　　

• 针对HPS流动诱导振动（FIV），开发了一种实时双向CFD–MSD框架。• 该方法捕捉了胶囊运动与受限流动之间的相互反馈。• 单向耦合低估了瞬态载荷和涡破裂。• 双向耦合使头车（HC）升力和垂直位移增加了9.5%。• 各车厢间的俯仰响应差异达20.2–34.2%。引言超级高铁胶囊系统（HPS）是一种极具前景的超高速地面交通概念，其中胶囊在低压封闭管道中利用非接触悬浮和推进方式运行。与传统轮轨系统和开放磁悬浮系统相比，该构型可减小气动阻力、机械摩擦、噪声以及对天气的敏感性[1,2]。然而，HPS运行于一种独特的受限可压缩流动环境中，其特征为高马赫数、相对较低的雷诺数、强壁面约束以及潜在的流动壅塞[3,4]。因此，其气动力学设计不仅需要降低阻力，还必须考虑非定常气动载荷、悬浮稳定性和车辆动态响应。众多研究已考察了HPS和真空管道列车在低压条件下的空气动力学特性。Deb[1]表明，激波形成和尾部的超音速膨胀可显著影响气动阻力，而Qian等[5]报告了加速和减速过程中流场演化与车速变化之间存在滞后现象。Huang等[6]识别出超音速真空管道磁悬浮列车在不同马赫数下沿车体长度方向具有不同的气动载荷响应。其他研究进一步证明，压力波行为和气动载荷波动受管道压力、车速和堵塞比的强烈影响[7,8]。HPS气动力学对流动壅塞和激波演化高度敏感。Xiao等[9]表明，鼻锥长度对超音速真空管道运输中的尾流波结构和尾随涡有强烈影响，而Zhou等[10]证明悬浮间隙变化可显著改变周围流道和气动载荷。实验研究还考察了分支超级高铁管道中的压力波传播[11]以及管道末端的激波反射[12]。这些发现突出表明，压力波传播、反射、壅塞和激波演化是关键气动力学问题，尤其在跨声速和壅塞流动条件下。近期，越来越多的研究聚焦于提高HPS仿真的可靠性、真实性和效率。Lang等[13]为超级高铁气动力学提出了基准问题，并强调了缺乏可靠的CFD验证算例。Almujibah等[14]考察了道岔、转换和非线性控制策略，强调了超越气动学的系统级机械约束。Galindo等[15]为瞬态超级高铁任务开发了经济高效的CFD方法，并表明应考虑胶囊引起的质量流量，而Kanaanizade等[16]提出通风管道作为一种被动减阻方法，通过增大有效截面流道面积来实现。这些研究反映了从理想化气动分析向更真实运行场景和高效数值方法的转变。Kim和Oh[17]进一步证明尾锥几何对阻力和升力的影响强于头锥几何，而Kim等[18]则证明管–囊偏心率可显著改变压力分布、马赫数、斜激波长度和横向力。除气动力学外，推进、悬浮、导向和结构动力学对HPS运行同样至关重要。Sadeghi等[19]为超级高铁应用优化了电推进系统，而Kaewunruen等[20]评估了超级高铁圆柱薄壳结构的抗爆能力。Lim等[21]实验评估了超导电动力学悬浮，Choi等[22]考察了管道厚度对基于高温超导磁体超级高铁系统中电磁阻力和导向力的影响。Noland[23]进一步综述了超级高铁磁悬浮技术的实际发展状况。这些研究共同表明，HPS具有多学科特性，需以集成方式考虑气动、电磁、结构和动力学效应。车辆动力学研究进一步表明，悬浮非线性和轨道相互作用可强烈影响高速系统稳定性。Dubey和Panigrahi[24]为超级高铁胶囊建立了七自由度非线性电动力学悬浮模型，而Madhan等[25]建立并优化了九自由度悬浮模型。针对高速磁悬浮系统，Li等[26]提出了车辆–轨道振动抑制的自适应控制，Zeng等[27]研究了车辆–轨道耦合系统的非线性动力学。Mao等[28]考察了车载高温超导磁体原型的结构动力学，Shi等[29]研究了新型高速磁悬浮车辆的动力学。这些研究为HPS和磁悬浮动力学提供了重要基础，但气动载荷通常作为预设激励处理，而非与流场进行实时耦合。从更广泛的力学科学角度来看，流动诱导振动（FIV）、涡激振动（VIV）和流固耦合（FSI）是控制受非定常流动作用的结构稳定性的基本机制。Khalak和Williamson[30]表征了低质量阻尼下弹性支撑圆柱体的运动、流体力和模态转变，而Williamson和Govardhan[31]进一步总结了VIV锁定、尾流模态和力–相位关系。近期研究已将FIV/VIV研究拓展至海洋结构物、海洋立管、风力发电机塔架和流动能量收集器[[32], [33], [34], [35]]。这些研究表明，结构运动可主动改变涡脱落、尾流相互作用、频谱能量分布以及由此产生的非定常载荷，而不仅仅是被动响应流体激励。近期关于多圆柱和柔性结构的研究进一步突出了运动依赖的流场演化重要性。Annapeh和Kurushina[36]考察了带有生物污损的串联、交错和并排布置海洋结构的FIV，而Bai等[37]为低速海流能量收集器开发了物理信息神经网络框架，以实现高效FIV预测。Abhishek等[38]比较了下游圆柱体和分流板的干涉效应，Bai等[39]研究了不等径柔性立管的干涉FIV，Qing等[40]提出了基于随机过程的神经网络用于风力发电机塔架VIV预测。这些研究显示了向耦合、高效和数据增强的FIV建模转变的趋势，而底层物理仍由结构运动与非定常流动之间的反馈所支配。一些研究提供了更直接的证据，表明FIV响应受尾流拓扑结构和能量传递控制。Xu等[41]实验研究了两个串联柔性圆柱体的多模态FIV，证明尾流屏蔽可强烈改变下游响应。Sun等[42]揭示带分流板的圆柱体从VIV向驰振的转变受涡脱落与剪切层附着之间竞争的支配，而Wang等[43]进一步证明分流板长度改变了同步性、驰振起始、相位行为和多变体涡尾流模式。Zhang等[44]利用基于模态的能量传递分析阐明了两个刚性耦合串联圆柱体的FIV机制，Sun等[45]则证明振动诱导的流场变化也可影响强制对流传热。FIV研究也已向主动控制、能量收集和复杂结构构型方向拓展。Xia等[46]利用仿生分流板增强了能量收集性能，并阐明了相关的流动控制机制。Zhou等[47]提出了双圆柱流动中的灵敏度辅助主动控制，Tang等[48]利用超表面结构在弹性干涉下改进了FIV能量收集，Esmaeili和Rabiee[49]研究了圆柱体VIV的主动反馈控制，Wan等[50]研究了在耦合颤振和VIV下基于机翼的压电收集器。这些研究突出了气动功、尾流控制、相位演化和结构响应在FIV中的作用。近期工作进一步涉及了串联、交错和多体FIV系统。Xu等[51]研究了交错柔性圆柱体，Fan等[52]在大气边界层中实验研究了柔性多圆柱体FIV，Kumar和Sourav[53]报告了串联菱形圆柱体的新型锁定行为，Fan等[54]为短跨距串联圆柱体开发了气动尾流振子模型，Gu等[55]考察了不同间隙比下不等径柔性圆柱体的FIV。这些研究表明，间距、布置方式、尾流屏蔽和间隙流动可显著改变振动响应，为受限超级高铁系统中间隙相关的气动载荷提供了有用类比。传热、多圆柱干涉和质量比效应也在FIV研究中被广泛考察。Khan等[56]研究了串联圆柱体直径差异对FIV和传热的影响，Yu等[57]考察了刚性连接圆柱体VIV中缺失的临界质量比，Wang等[58]分析了尾流驰振压电收集器中的参数敏感性，Zeng等[59]探讨了利用双膜控制D形钝体流动。这些研究表明，结构构型、质量比或流动控制策略的相对较小变化可显著改变振动分支、尾流模态和气动载荷。双向FSI在结构运动改变周围流动的机械系统中日益重要。Ji等[60]为流体输送串并联管道系统开发了超缩减模型，Ren等[61]考察了高速冲击下液体填充容器中的FSI驱动波传播和变形，Jin等[62]研究了水下柔性结构的非线性水动力学和动态软化，Shao和Ding[63]开发了约束流体输送管道的动态建模和振动控制方法，Zhang等[64]分析了采矿立管与背靠管耦合的交叉流–内联–扭转VIV。这些研究表明，流体载荷作用下的机械系统中普遍存在强耦合响应，且不一定能用单向施力来表征。其他工作进一步强调了双向相互作用和真实的边界约束。Xu等[65]为整体叶盘开发了等效气动弹性方法，Liang等[66]研究了水下冲击载荷下的无阻尼振子，Marchesi等[67]为爆轰载荷下的板提出了无量纲FSI度量指标，Zhang等[68]研究了格构结构的入水响应，Chen等[69]综述了流体输送管道动力学的进展。总体而言，这些研究反映了当流动、结构运动和边界条件相互作用时，向耦合建模转变的更广泛趋势。这一相关性在涉及小间隙或高速可压缩流动的系统尤为明显。Kan等[70]表明，毫米级间隙流动和真实的轴承约束可强烈影响弗朗西斯式水轮机中的振动和应力预测，Zheng等[71]发现双向FSI改善了超音速涡轮叶栅中激波结构和气动结构性能的预测，Dong等[72]利用双向FSI进一步研究了运动弹塑性边界附近的气泡动力学。这些发现与HPS直接相关，因为在HPS中胶囊振动可改变受限的囊–管间隙，从而改变气动响应。尽管在HPS气动力学、磁悬浮动力学和FIV/FSI方面取得了这些进展，仍存在一个重要缺口。大多数HPS气动研究依赖固定边界或预设运动的CFD，而悬浮动力学研究通常将气动载荷视为外部输入。在单向气动–动力耦合中，瞬态载荷被传递给动力学模型，但由此产生的胶囊运动并未反馈至CFD求解器。在其他涉及流动诱导能量收集、摩擦诱导振动和高速列车制动稳定性的耦合机械系统中，类似的局限性也已被认识到[[73], [74], [75]]。这一问题对HPS尤为关键，因为垂直和俯仰运动可改变有效环形间隙、重新分配表面压力、改变激波和膨胀波结构，并影响尾流涡演化。为弥补这一缺口，本研究为三节编组超级高铁胶囊系统的FIV分析开发了一种三维实时双向CFD/MSD框架。其核心创新在于受限可压缩流动、多体胶囊运动和运动依赖的悬浮间隙之间基于时间步的闭环耦合。在每个物理时间步中，从CFD解中提取气动升力和俯仰力矩，传递给动力学求解器以确定头车（HC）、中间车（MC）和尾车（TC）的垂向和俯仰响应。这些响应随后通过各车厢特定的重叠网格运动反馈至CFD域，在下一次流场求解前更新瞬时流道。该程序实现了气动载荷与胶囊运动的同步演化，并直接解析了胶囊运动→间隙变化→流场重新分布→气动载荷变化→后续胶囊运动的反馈链，这是传统单向FIV无法捕捉的。所得运动耦合载荷和振动特性为评估悬浮间隙裕度、悬浮参数、模态特性和各车厢气动稳定性提供了依据。本文余下部分组织如下：第2节介绍数值方法和耦合框架，第3节描述模型验证与确认，第4节比较单向和双向FIV响应，第5节总结主要结论。各节摘要数值方法本节介绍实时双向CFD/MSD方法。在每个物理时间步内，瞬态气动载荷、多体垂向–俯仰响应和各车厢特定的重叠网格运动在胶囊动力学与受限流场之间以闭环方式耦合。几何模型、耦合策略、网格生成和数据处理方法如下所述。验证本节在将提出的数值框架应用于HPS三节编组胶囊之前，验证了其可靠性。

验证首先使用弹性安装圆柱体的基准涡激振动（VIV）算例来检验流固相互作用能力，然后使用超燃冲压发动机基准算例来评估高速受限流动的CFD方法。最后，通过网格无关性和时间步长无关性研究，确定后续仿真所用的数值分辨率。

结果与讨论

本节比较了单向和双向流体-振动（FIV）结果，并考察了额外运动-流动反馈的物理作用。特别关注运动相关的悬浮间隙变化、近壁压力重新分布、涡破裂、高频气动波动，以及由此引起的舱体振动变化。进一步考察了流场演化、气动载荷与动力响应之间的一致性，以评估双向方法的物理合理性。

结论

本研究开发了一个三维实时双向CFD/MSD框架，用于三节编组超级高铁（Hyperloop）舱体系统的FIV分析。瞬态气动载荷通过用户自定义函数（UDF）从CFD求解器传递至动力学模型，而由此产生的垂向（heave）和俯仰（pitch）运动则通过重叠网格运动反馈至流场。与传统的单向FIV方法不同，所提出的框架能够解析受限流动与舱体运动之间的闭环相互作用。

单向与双向之间的差异

利益冲突声明

作者不存在任何需要披露的利益冲突。

作者贡献

陈春江：构思、方法学、正式分析、软件、数据整理与初稿撰写。李立冬：构思、软件、方法学。李卓军：方法学。龚佩霖：方法学。张说国：数据整理。牛济强：构思、方法学、项目管理、审稿与编辑、监督及经费获取。

数据可用性

支持本研究结果的数据可通过合理请求向通讯作者获取。

CRediT作者贡献声明

陈春江：初稿撰写、软件、方法学、正式分析、数据整理、构思。李立冬：软件、方法学、构思。李卓军：方法学。龚佩霖：方法学。张说国：数据整理。牛济强：审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、经费获取、构思。

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