基于粘性流體k-ε雙方程湍流模型，建立真空管道交通系統三維數學模型和物理模型，并在超音速狀態下對所建模型進行數值模擬。超音速時，氣流流經車體形成熵層，根據熵層分布規律進一步分析系統內能量的傳遞及氣動熱的生成。結果表明:最大熵值出現在車頭和車尾的鼻尖處，生成的氣動熱最多，該處混亂程度強，能量傳遞多，在車頭形成氣動熱并在車尾積聚；熵層在車頭處環狀分布，車身處環車身輪廓分布，但車身后半段車體下方區域出現了小范圍的低熵熵層；在后車肩截面處，車體周圍的熵層呈“帽”狀分布，熵值較周圍降低，這部分熵層中的流速變化大，熱量傳遞快，原有的穩定性被破壞。根據熵層的分布規律可以發現，車頭部位溫度較低，由車頭至車尾溫度逐漸升高，車尾車肩處溫度達到最高。

　　隨著能源的不斷消耗，電商的迅猛發展，交通物流壓力持續增大，對經濟速度的要求越來越高。因而大運輸量、高經濟速度的運輸方式———真空管道交通(ETT)系統應運而生，這一概念早在1904年現代火箭之父RobertGoddard就已經提出，其科學性、現實性、發展前景得到了中國科學界的權威認可，并迅速被提升到國家戰略高度，中國計劃于2035年前后建成世界第一條ETT線路。

　　雖然ETT的相關研究工作已經逐步展開，但目前的工作僅限于馬赫數小于1的空氣動力學研究，并未涉及超音速狀態下系統內的氣動熱的生成。真空技術網(http://m.203scouts.com/)認為隨著列車速度的提高生成的氣動熱也會隨之增多，而這部分氣動熱的產生和積聚不僅會影響到ETT的高速高效運行，更會直接影響系統的安全運營，因此有必要對超音速狀態下系統內的氣動熱進行研究。

　　超音速時，氣流流經車體形成熵層，在熵層中，熵值就越大，混亂程度越強，系統所處狀態的穩定情況越差，能量的轉化越多。在ETT中，通過對熵層分布規律進行分析，研究系統內能量的傳遞及氣動熱的生成。因此，本文在速度400m/s、阻塞比為0.23、管內壓力5×10⁴Pa時對三維模型進行數值模擬，分析系統內熵層的變化規律。

1、數值模型

　　1.1、基本假設

　　(1)列車運行的流場雷諾數大于10⁵，故流場為湍流流動，采用k-ε雙方程湍流模型建立數學模型。

　　(2)馬赫數大于1，建立數學模型時考慮空氣的可壓縮性。

　　(3)忽略了車體外部復雜結構，假設車體為一個具有光滑外形的幾何體。

　　(4)為簡化計算，假設列車按直線路徑行進，同時認為真空管道壁面光滑，忽略輪軌接觸摩擦。

　　1.2、數學模型

　　基于粘性流體力學理論，按三維可壓縮粘性流，對ETT系統氣動熱進行數值模擬。粘性、可壓縮湍流流場采用k-ε雙方程湍流模型模擬時，其流場計算的數學模型用下面的控制方程組描述

　　式中，k為空氣的傳導流系數；T為空氣的溫度；R為通用氣體常數；空氣靜壓為p，密度為ρ，總能為E，熱流量為q，t為時間。

2、結論

　　在超音速狀態下，運用流體力學和傳熱學的基本理論，考慮到薄激波層的形成機理和特點，根據可壓縮流動的Crocco理論，從熵層的角度出發，沿列車軸線方向分析了真空管道交通系統的熱壓耦合場能量傳遞及生熱機理。結果表明，最大熵值出現在車頭和車尾的鼻尖處，說明此處產生的氣動熱最多，混亂程度強，能量傳遞多，在車頭產生氣動熱并在車尾積聚；熵層在車頭處環狀分布，車身處環車身輪廓分布，但車身后半段車體下方區域出現了小范圍的低熵熵層；在后車肩截面處，車體周圍的熵層呈“帽”狀分布，熵值較周圍降低，這部分熵層中的流速變化大，熱量傳遞快，原有的穩定性被破壞。根據熵層的分布規律可以發現，車頭部位溫度較低，由車頭至車尾溫度逐漸升高，車尾車肩處溫度達到最高。

　　列車沿直線運行時，在車頭正前方，列車前進動力推動氣流前進，氣流速度總小于列車運行速度，并不斷被壓縮。這些動能一部分轉化為繼續壓縮前方氣體、阻礙列車前進的壓能，即氣動阻力；另一部分動能則以熱的形式耗散，生成氣動熱。氣動熱一部分滯留在列車正前方，另一部分隨氣流擴散到真空管道交通系統內其他位置，隨列車遠去而逐漸在車尾處積聚。根據熵層的分布規律可以發現，車頭部位溫度較低，由車頭至車尾溫度逐漸升高，車尾車肩處溫度達到最高。