近年来，在低真空管道中运行的超级高铁系统引起了全球学术界和工业界的广泛关注 [[1], [2], [3]]。通过抽取密封管道内的部分空气建立低真空环境，该系统可以显著缓解列车运行期间的空气动力阻力和空气动力加热，有望突破传统轮轨高速铁路的速度瓶颈，从而实现 600–1000 公里/小时甚至更高的超高速运行 [[4], [5], [6]]。
然而，随着列车运行速度过渡到亚音速甚至跨音速（0.6-1.2 Ma）区域，管内气体的压缩性效应变得极其显著 [[7], [8], [9]]。在管道高度受限的空间内，超高速气流、列车和管壁之间发生剧烈相互作用，导致流场阻塞 [10]、复杂波系（激波和膨胀波）的演化 [[11], [12], [13]] 以及其他极端空气动力现象，从而引发严重的高频压力波动和流动诱导的空气动力噪声 [14]。列车空气动力噪声不仅随着运行速度的增加表现出剧烈的非线性增长 [15]，而且，与开放线路运行环境不同，密封低真空管道内的声能无法自由辐射到广阔的外部空间 [16,17]。强烈的空气动力声波在管壁和车体之间反复反射和叠加 [18,19]，这不仅严重降低了车内乘客的声学舒适度，而且由此产生的高强度交变压力波动具有更高的潜力诱发管壁和车体结构的声学疲劳损伤 [14,20]。因此，阐明与低真空管道列车相关的空气动力噪声产生机制及其演化动力学，构成推动该系统工程应用急需解决的核心科学问题之一。
关于列车空气动力噪声和管道空气动力特性，全球学者进行了广泛而富有成效的研究。在传统高速列车空气动力噪声方面，现有研究主要基于莱特希尔声学模拟理论等方法，揭示了在开放线路 [21] 和隧道 [22] 运行条件下，列车表面非光滑部件的大尺度涡脱落构成了主要的声源。在低真空管道空气动力学领域，现有文献主要关注列车空气动力阻力特性 [[23], [24], [25]]、阻塞机制（坎特罗维茨极限）[26,27]、真空水平 [28] 和压力波的传播特性 [1,14,29]。广泛的数值模拟和运动模型实验表明，当列车阻塞比较大或运行速度较高时，列车狭窄环形空间内的气流被加速到当地音速，导致流场完全阻塞并在列车尾部形成强烈的激波列结构 [28,30]。然而，对当前研究格局的全面回顾表明，现有工作主要强调宏观空气动力计算和稳定流场结构的定性分析，而将复杂流动状态演化（阻塞/非阻塞）与非定常流动诱导的空气动力噪声特性相结合的研究仍然相对稀缺。具体而言，当高度受限的低真空管道内的局部气流加速到超音速时，激波、膨胀波和湍流边界层之间的剧烈相互作用成为严重空气动力噪声的主要来源。然而，这些超音速激波 - 涡相互作用如何在剪切层和尾迹区域诱导产生高声压级的宽带噪声，仍未得到完全阐明。此外，这些非定常激波驱动流结构与空间噪声分布模式在运行速度、阻塞比和真空水平等多参数耦合作用下的内在相关性，需要进一步系统研究。
为了解解决这一基本研究空白，本研究系统研究了流动诱导空气动力噪声的产生机制及相关非定常流动特性，特别关注高度受限的低真空管道中简化超级高铁周围的超音速激波相互作用。基于融合了雷诺平均纳维 - 斯托克斯和大涡模拟的高保真延迟分离涡模拟（DDES）数值方法，本研究构建了一个二维轴对称管道列车计算模型，并通过关于跨音速翼型和空腔流动诱导空气动力噪声的经典风洞实验数据验证了流体求解器算法的准确性。在此基础上，本研究全面比较和分析了列车在不同流动状态下的非定常流场结构，从而阐明了亚音速、超音速和高阻塞比阻塞效应对其管内激波列传播和多尺度涡脱落的影响机制。本研究的发现不仅丰富了高度受限空间内跨音速流动的非定常流体力学理论，也为未来低真空管道超级高铁系统的空气动力形状优化、减阻、降噪和系统参数匹配提供了理论依据。本文的结构概述如下：第 2 节介绍计算模型和数值模拟方法；第 3 节提出网格独立性验证和算法验证；第 4 节分析阻塞和非阻塞流动状态对管内非定常流场演化和空气动力声学噪声的影响特性；第 5 节对整个研究提供全面的结论（见图 1）。
