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2011-2021,北京超级云计算中心成立十周年,这也是中国超算突飞猛进的十年。“云聚十载 智算未来”我们诚邀10万+科研工作者共同见证这十年的发展和成果。

你有没有思考过?

未来的城市是个什么样子?

以下四座城市你觉得哪个更符合你对未来的猜想?

      其实,从四座未来城市的畅想中我们可以梳理出它们的几个共同点,首先是高耸如云的大厦,这些大厦可以视为未来城市的骨肉,而穿梭于大厦之间的有轨、无轨的列车则是未来城市中流通的血液。

 

       而当未来照进现实,实现未来城市列车最有希望、有贴近的就是磁悬浮列车。磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力来推动的列车,它通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向,再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中,减少了摩擦力,行走时不同于其他列车需要接触地面,只受来自空气的阻力,高速磁悬浮列车的速度可达每小时400公里以上,中低速磁悬浮则多数在100-200公里/小时。而中低速磁悬浮或将成为未来城市最重要的交通运输模式之一。

 

      为此,在国家"十三五"研发计划中,已经将时速200公里的新一代磁浮列车列入重点研发项目。我国新一代中速磁浮列车最高运行速度200km/h,创新采用碳纤维轻量化复合材料和"永磁同步中间驱动+F轨永磁电磁悬浮"等关键技术,实现了中低速磁浮和高速磁浮技术的完美融合,具有牵引效率高、悬浮能耗低、转弯半径小、爬坡能力强、运行噪声低等特点,是新一代灵活、轻捷、绿色、智慧型的磁浮列车,将为干线铁路网、城市群0.5至2小时交通圈加密、城市内部点对点运输提供新选择。

 

      除此之外,新一代中速磁浮列车可以进行2到6辆灵活编组,定员654人,能够在-25℃至+40℃的环境温度下运营。列车采用碳纤维复合材料,与以往铝合金车体相比,车体重量减轻30%,不仅强度高、耐疲劳、耐腐蚀,使用寿命长,"更轻"的车身降低了运行能耗,更加节能环保。

 

      200公里/小时的轮轨高速铁路系统设计技术已非常成熟,而开展中速磁浮系统研制,其主要目的是要设计出比相应速度级轮轨铁路系统性能更加优良的磁浮系统运输方式,这首先需要开展中速磁浮列车气动减阻设计,节约推进系统能量。对于磁浮列车研制,气动阻力成为唯一阻力源,又由于悬浮间距小,气动升力直接影响悬浮系统安全,为设计高性能磁浮列车,气动阻力和升力优化成为磁浮列车设计需要解决的首要问题。其次,与低速相比,中速下列车周围流场结构发生了显著变化,主要表现在尾流区域脱落的涡结构更细、非定常脉动更剧烈,与复杂地面气动效应耦合更紧密,进而危害列车运行安全性和乘坐舒适性。

 

      中科院力学所的科研人员首先利用北京超级云计算平台完成了适用于中速磁浮列车气动特性分析方法的研究,深入总结现有的先进算法及相关物理模型,通过广泛的数值模拟实验,建立了能够精确模拟高速列车绕流的数值方法;通过广泛的网格无关性验证,建立了多尺度复杂几何外形的高质量网格生成方法,提高计算精度,可以更好地捕捉非定常脱落涡系,能够确定精准的流动分离与再附区间(见图1)。

 

图1 横风条件下磁浮列车空间流线图

 

      另外,面向气动阻力和升力的外形优化需要进行大量的工况分析,依托于超级云计算平台,基于采用的多目标气动优化设计流程,能够快速得到满足设计要求的中速磁浮列车头型,在给定的设计空间内,最终找到了最优中速磁浮列车头型(见图2,图3);与原型车相比,头车气动升力系数增加33.25%,整车气动阻力系数减小4.44%,达到了课题要求的性能提升要求。通过本项目的研究,有助于提高我国磁浮列车的研制水平,提高磁浮列车运行的经济性和安全性。

 

图2 优化外形与原始外形比对

图3 原始外形与优化外形Q等值面图比对

 

      据悉,中速磁浮列车气动外形优化研究需要针对一系列中间过程优化外形进行数值模拟研究,对计算资源的要求较高。单工况网格量约6000万左右,流场特性研究及外形优化研究中产生的计算工况上百计,单工况并行计算核数约200个。中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室副研究员孙振旭表示,为了保障研究项目的顺利开展,北京超级云计算中心提供了充足的计算资源,提供了大量的计算节点。研究人员通过超级云计算平台,可以大批量并行提交计算任务,并在有效时间内获得每个工况对应的气动力数据及流场数据。北京超级云计算中心丰富的计算资源有力的保障了项目的有效实施。

 

      通过对中速磁浮列车精确数值分析方法的研究,可以更好地捕捉非定常脱落涡系,能够确定精准的流动分离与再附区间;对横风条件下磁浮列车的流场特性的研究,有助于理解横风条件下气动力的形成机理以及探讨气动优化方案的设计;通过优化列车头型,可以显著改善中速磁浮列车的气动性能;采用的优化策略能够应用于中速磁浮列车的头型设计,在工程化气动外形设计领域可以逐步推广。总之,通过本子任务的研究,有助于提高我国磁浮列车的研制水平,提高磁浮列车运行的经济性和安全性。

 

文章或成果发表或获奖情况: 

Sun Z.X.,Wang M.Y.,Wei L.Y.,Kong F.B.,Yang G.W.. Aerodynamic shape optimization of an urban maglev train, Acta Mechanica Sinica, 2021, doi: 10.1007/s10409-021-01094-y.(SCI)

 

 

中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室介绍:

 

流固耦合系统力学重点实验室是力学所科技创新活动重要的研究单元。流固耦合广泛存在于自然现象、工程系统之中。流固耦合系统力学主要研究流体与固体相互作用规律,是建立在流体力学、固体力学等力学主要分支学科间的一门交叉学科。

 

实验室坚持钱学森先生的"工程科学"思想,紧密结合我国海洋工程、环境工程和交通工程等应用领域的重大需求,以力学多分支学科的交叉融合为基础,发展流固耦合系统力学理论,发展建设特色鲜明、系统配套的耦合实验平台和数值模拟技术,在引领相关工程技术发展的同时,促进力学学科研究思想和方法的进步。

 

 

北京超级云计算中心介绍:

 

北京超级云计算中心成立于2011年11月1日,由中国科学院和北京市政府共建,依托中科院计算机网络信息中心建设,运营主体为北京北龙超级云计算有限责任公司。在2020年中国HPC TOP100榜单中,北京超级云计算中心A分区以Linpack测试性能3.74PFlops,荣获2020 HPC TOP100榜单中国超算TOP3,通用CPU算力第一。

 

北京超级云计算中心以立足北京、辐射全国、构建国内领先、国际一流的信息化基础设施及公共服务平台为总目标,面向科学计算、工业仿真、气象海洋、新能源、生物医药、人工智能等重点行业应用领域,随需提供超级云计算服务,支撑全北京市的产业升级与科技创新,助力国家科技发展。

 

 

 

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