Conceive of seabed elevated tube transportation and aerodynamic drag simulation of train running
本文提出了海底抬升管运输（SETT）概念，作为深水海峡（深度30–200米）一种具有成本效益且安全的解决方案，并利用空气动力学模拟确定了5.4–6.2米的管径是运行速度高达300公里/小时的气密高速列车的最佳直径。
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想象一个海底不再是障碍，而是高速公路的世界。几十年来，工程师们一直梦想着连接跨越深邃宽阔海峡的大陆，例如中国的琼州海峡或英吉利海峡，但对于传统的桥梁或隧道而言，海水往往太深，距离也太远，难以保证安全或经济可行。虽然我们已经掌握了在山脉中和浅海下建造隧道的技术，但深海仍然是一个巨大的挑战。当车辆在受限空间内高速行驶时，内部空气和水的运动物理机制变得非常复杂；位于车头前方的空气会被挤压，产生强大的阻力，这可能会减慢车辆的速度，甚至损坏结构。这就是一项新研究所解决的核心难题：如何建造一个位于海床正上方的管道，让列车能够在其中滑行，而不被气压压碎或被阻力拖累。
由杨恩大学的张耀平（Yaoping Zhang）领导的研究团队提出了一种名为“海床架空管运输系统”（Seabed Elevated Tube Transportation，简称 SETT）的概念。该构想并非将巨大的隧道深埋地下，也不是让管道漂浮在水中，而是通过将坚固的桩基打入海底，并在其上方铺设一个相对较小的圆形管道。在这条管道内，将运行一种特种列车。使这一构想成为现实的关键在于管道的尺寸和列车的形状。研究重点关注内径在5米至8.6米之间的管道，承载的列车宽度和高度约为2.8米。为了理解空气如何在列车周围运动，团队利用强大的计算机模拟技术，模拟了列车在各种速度下的管内气流，速度从缓慢的每小时36公里到极速的300公里。他们将管壁视为固定物，将列车视为移动物体，观察随着列车在受限空间内加速，气压是如何变化的。
模拟结果揭示了管道尺寸、列车速度与所受阻力之间明确的关系。当列车移动速度较慢（低于每小时108公里）时，管道的大小几乎没有影响；无论管道是窄是宽，空气阻力都保持在较低且稳定的水平。然而，随着列车提速，列车与管壁之间的间隙就变得至关重要。如果管道太窄而列车速度太快，空气就会被困住并被压缩，导致阻力剧烈飙升。研究发现了一个特定的临界点：对于这种尺寸的列车，在时速高达300公里的情况下，管道直径至少需要达到6.2米。若低于这个尺寸，阻力会大幅增加，使高速行驶变得低效且具有潜在危险。当直径超过6.2米时，空气阻力趋于平缓并稳定下来，表现得就像列车在开阔空间中行驶一样。这表明，约6.2米的管道直径是高速运行的“黄金尺寸”，能够平衡建设成本与空气动力学效率。
除了空气物理学，该研究还解决了安全性以及该系统如何实际运作的关键问题。研究人员建议使用一种完全与外部环境隔绝的特种气密性车辆。这种设计提供了一个独特的安全优势：万一发生破坏管道的灾难性事故，整个车厢可以脱离并漂浮到海面上，从而让乘客逃生。这与目前的普通高铁设计有显著不同，因为高铁并非为漂浮或在水下灾难中生存而设计。由于这些车辆是密封的，因此不需要复杂的管内通风系统，这简化了建设过程。然而，这也意味着乘客无法在车厢之间走动，因此提出的运行方案涉及一种换乘流程。旅客将乘坐标准高铁到达沿海车站，然后在同一站台上换乘特种气密列车以穿越海峡，这种方式类似于乘客在西藏乘坐配备氧气设备的列车进行高海拔旅行时的换乘方式。
研究结论指出，虽然建造这些特种车辆和架空管系统需要大量投资，但与传统的沉管隧道或巨型大桥相比，它提供了一个更安全且可能更具成本效益的解决方案。模拟证实，只要拥有合适的管道直径，空气动力阻力就不会成为高速行驶的障碍。通过结合稳固的桩基支撑结构和密封的、具备漂浮能力的车辆，SETT概念填补了深水跨越领域的工程空白，为连接被深海分隔的大陆提供了可行的路径。研究表明，对于深度在30米至200米之间的海域，这种方法可能是理想的技术解决方案，将深海从障碍转变为可控的交通走廊。
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