真空管道运输技术是解决空气阻力,提高列车运行速度最为理想的设计方案,但受诸多技术因素的制约,真空管道内还存在一定真空度的稀薄空气,因此,超高速飞行列车的空气动力学问题仍然是真空管道运输技术所面临的关键问题。尽管世界多国科研组织已开展了相关技术的研究,但目前可参阅的文献并不多,其空气动力学原理也并不十分清楚。本文以某型现役高速列车车头为研究对象,开展了真空管道内超高速飞行列车车头气动特性及外形优化研究,主要研究工作如下:(1)总结分析了高速列车在明线和隧道内运行时的空气流场特性,并初步探讨了超高速飞行列车运行时真空管道内的空气流场行为;探究了SPH光滑粒子法的算法原理,及其应用于模拟真空管道内空气流场高度非线性问题的可行性;分析了空气SPH粒子与车头、隧道有限元网格之间的耦合方法。(2)利用FEM与SPH耦合方法建立了列车、隧道、空气三者之间的流固耦合仿真分析模型,依据真空管道内超高速飞行列车运行特点,进行了不同真空度和运行速度下的超高速飞行列车车头气动特性仿真计算,讨论了管道内真空度、列车运行速度对列车车头周围流场分布、气动阻力/升力的影响。仿真结果表明,列车所受的空气阻力和升力与真空管道内空气的初始压强基本呈线性增长关系,而与列车的运行速度呈指数增长关系。(3)以CRH380A高速列车车头为仿真优化原型,针对车头主要曲面特征,利用Hyper Morph模块创建了五个形状控制变量。联合使用Ls-Dyna和Hyper Study软件,采用多目标遗传算法,以减小列车运行阻力和升力为优化目标,对列车车头在真空管道内的气动外形进行优化求解,获得了Pareto最优解集。比较优化前后的气动阻力和升力可知,优化后列车头型的气动阻力减少了27.61%,气动升力减少了21.97%。目前关于高速/超高速列车头型优化研究大多采用Euler网格法,本文采用SPH粒子无网格法模拟空气流场,该方法通过粒子集迹线表述流场行为,并可对特定空气粒子轨迹进行追踪。本文研究皆为弄清超高速飞行列车运行时真空管道内的流场特性,并探究超高速飞行列车头型优化设计的新方法和新思路。