作者：郭迪龍 郭易 楊國(guó)偉 （中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

導(dǎo)語(yǔ)

在過(guò)去十年中，中國(guó)高速列車(chē)迎來(lái)了爆炸式的發(fā)展。很多人在選擇高鐵出行的同時(shí)，也存在一些疑問(wèn)，比如，高鐵為什么長(zhǎng)這樣呢？難道只是為了好看嗎？當(dāng)然不是，大院er今天將帶你一起，深度剖析高鐵外形背后的科學(xué)。

說(shuō)起高速列車(chē)，我們印象最深的就是它“子彈頭”形狀的流線型頭型，與之前方方正正的“綠皮車(chē)”有明顯的區(qū)別。高速列車(chē)采用流線型頭型，目的是優(yōu)化其空氣動(dòng)力學(xué)性能，降低空氣阻力、壓力波、噪聲等，提高運(yùn)行速度。

上方為中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司生產(chǎn)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組；下方為二十世紀(jì)九十年代之前生產(chǎn)的“綠皮”火車(chē)

那么，列車(chē)運(yùn)行時(shí)的空氣阻力到底有多大？有必要這么重視嗎？

列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)受到的空氣阻力

列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，行駛阻力一般包括輪軌滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速時(shí)的慣性阻力，在低速運(yùn)行時(shí)，輪軌阻力占主要部分，但隨著列車(chē)運(yùn)行速度提高，空氣阻力將增加，當(dāng)列車(chē)速度超過(guò)200公里/小時(shí)后，其將成為列車(chē)運(yùn)行阻力的主要部分。

日常生活中，我們都有這種經(jīng)歷：在微風(fēng)中逆風(fēng)行走，我們幾乎不會(huì)意識(shí)到風(fēng)的阻力存在。然而，若是在5級(jí)以上的大風(fēng)中逆風(fēng)而行，風(fēng)的阻力之大，就會(huì)讓我們體會(huì)到什么叫寸步難行了。

列車(chē)運(yùn)行時(shí)受到的空氣阻力與速度的平方成正比，因此，中、低速“綠皮”列車(chē)運(yùn)行就好比我們?cè)谖L(fēng)中行走，設(shè)計(jì)人員基本上不用專(zhuān)門(mén)去考慮空氣阻力的影響。

可是，對(duì)于時(shí)速200公里以上的高速列車(chē)，情形可就不一樣了，空氣阻力可以占列車(chē)行駛阻力的75%以上，設(shè)計(jì)者通常需要利用空氣動(dòng)力學(xué)原理，通過(guò)流線化車(chē)頭、車(chē)身、車(chē)體附屬部分來(lái)盡量減少空氣阻力。

空氣阻力由三部分組成：一是列車(chē)車(chē)頭迎風(fēng)受到的正面壓力，列車(chē)尾部由于空氣尾流引起空氣稀薄而產(chǎn)生的向后的拉力，這樣由于頭部及尾部壓力差形成的阻力稱為壓差阻力；二是由于空氣粘性而引起的作用于車(chē)體表面的摩擦阻力；三是有車(chē)輛轉(zhuǎn)向架、車(chē)頂設(shè)備、門(mén)窗、車(chē)廂間鏈接風(fēng)擋等車(chē)輛表面凹凸結(jié)構(gòu)引起的干擾阻力。

高速列車(chē)車(chē)頭設(shè)計(jì)成流線型的主要目的是為了減小壓差阻力。這個(gè)設(shè)計(jì)思想和飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)差不多。然而，流線型也是各種各樣的。到底什么樣的車(chē)頭形狀更合適？設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬和模型實(shí)驗(yàn)，測(cè)試車(chē)體周?chē)臍饬�、列�?chē)表面壓力、氣動(dòng)力等參數(shù)，來(lái)決定最佳的車(chē)頭流線型。

只要在站臺(tái)上稍微注意過(guò)高速列車(chē)車(chē)體，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)它有很多和普通列車(chē)不一樣的地方：車(chē)體側(cè)壁幾乎沒(méi)有凹凸不平的地方，車(chē)廂底部的各種裝置全被光滑平整的“車(chē)裙”——裙板罩住，車(chē)廂頂部的受電弓也用專(zhuān)門(mén)為它制作的導(dǎo)流罩保護(hù)起來(lái)。

這一切的努力，主要是為了減小由空氣引起的摩擦阻力和干擾阻力。

兩輛高速列車(chē)交會(huì)時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題

降低列車(chē)運(yùn)行時(shí)的空氣阻力是高速列車(chē)氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)重要的優(yōu)化方向，但不是全部。列車(chē)以高速運(yùn)行，原本在中、低速時(shí)沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題往往會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。如壓力波問(wèn)題、氣動(dòng)噪聲問(wèn)題等。

我們?cè)诔俗咚賱?dòng)車(chē)組列車(chē)時(shí)有過(guò)這樣的體驗(yàn)：原本平穩(wěn)運(yùn)行的列車(chē)，在對(duì)面列車(chē)疾馳而過(guò)時(shí)伴隨著一聲呼嘯發(fā)生了短暫而較強(qiáng)的橫向晃動(dòng)。

這種橫向晃動(dòng)就是由列車(chē)的交會(huì)壓力波所引起的。列車(chē)會(huì)車(chē)時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的列車(chē)車(chē)頭對(duì)空氣形成擠壓，便會(huì)在列車(chē)交會(huì)內(nèi)側(cè)的側(cè)壁上產(chǎn)生交替的高壓區(qū)和低壓區(qū)。列車(chē)速度越高，會(huì)車(chē)產(chǎn)生的壓力波強(qiáng)度也就越大。兩列車(chē)相向交會(huì)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的會(huì)車(chē)壓力波作用在車(chē)體上會(huì)對(duì)列車(chē)側(cè)壁和側(cè)窗強(qiáng)度、列車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定性和旅客乘坐舒適性產(chǎn)生不利影響，甚至可能產(chǎn)生運(yùn)行安全問(wèn)題，如車(chē)體側(cè)窗破碎、車(chē)輛蛇形運(yùn)動(dòng)、輪緣與道軌因側(cè)向沖擊造成磨損等。[NextPage]

我國(guó)鐵路客運(yùn)提速至160公里/小時(shí)，就曾多次發(fā)生會(huì)車(chē)引起的列車(chē)側(cè)窗玻璃破碎事故。如今，列車(chē)的運(yùn)行速度都在200公里/小時(shí)以上甚至是350公里/小時(shí)，會(huì)車(chē)壓力波的變化幅值和最大正、負(fù)壓力極值都會(huì)急劇增大，有可能帶來(lái)更大的負(fù)面效應(yīng)。在列車(chē)氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方面，加長(zhǎng)列車(chē)流線型頭部長(zhǎng)度，采用扁寬型頭型，可以有效減小交會(huì)壓力波幅值。

高速列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行帶來(lái)的難題

對(duì)于高鐵乘客來(lái)說(shuō)，隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)存在不少問(wèn)題。對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，也是這樣的。高速列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行是最為復(fù)雜和惡劣的運(yùn)行工況，在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)列車(chē)的表面壓力幅值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于列車(chē)在明線運(yùn)行時(shí)的表面壓力。

當(dāng)列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)，列車(chē)前方的空氣受到擠壓，來(lái)不及從隧道口排除，壓力急劇升高，在入口處產(chǎn)生一個(gè)壓縮波，向隧道出口以音速傳播；當(dāng)列車(chē)的車(chē)尾進(jìn)入隧道時(shí)，列車(chē)后方由于隧道內(nèi)空氣來(lái)不及補(bǔ)充，壓力急劇降低，形成一個(gè)膨脹波，這一膨脹波將掠過(guò)車(chē)體以音速向隧道出口傳播。

在隧道出口，壓縮波和膨脹波一部分會(huì)以微氣壓波的形式向外散射，另一部分發(fā)生相互轉(zhuǎn)化后反射回來(lái)向隧道入口傳播。如果隧道比較長(zhǎng)，隧道內(nèi)壓力波會(huì)反復(fù)作用于列車(chē)，使得列車(chē)表面壓力在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，這種劇烈的壓力變化考驗(yàn)著列車(chē)的氣密性，如果列車(chē)氣密性較差，車(chē)外的壓力波動(dòng)會(huì)傳入車(chē)內(nèi)，引起車(chē)內(nèi)壓力發(fā)生突變，造成乘客耳鳴，影響乘坐舒適性。

同時(shí)，受隧道壓力波的影響，列車(chē)在隧道內(nèi)所受的氣動(dòng)力會(huì)發(fā)生不平衡的現(xiàn)象：我國(guó)在高鐵運(yùn)營(yíng)期間，發(fā)現(xiàn)在具有多個(gè)隧道的線路上運(yùn)行時(shí)，列車(chē)輪、軌之間的磨損比完全明線運(yùn)行條件下要嚴(yán)重得多；日本還發(fā)現(xiàn)列車(chē)在隧道中運(yùn)行時(shí)尾車(chē)出現(xiàn)橫向擺動(dòng)現(xiàn)象。

一般地，減小列車(chē)最大橫截面積與隧道橫截面積的比值（阻塞比），可以有效地減弱隧道壓力波的強(qiáng)度，這也是高速列車(chē)一直在追求“苗條”和“瘦身”的原因之一。

高速列車(chē)進(jìn)入隧道后，隧道內(nèi)的空氣收到擠壓，形成壓力波以音速向隧道出口方向快速推進(jìn)，壓力波到達(dá)出口時(shí)，一部分壓力波以脈沖的形式向四周發(fā)射出去，同時(shí)產(chǎn)生爆破聲，這種波被稱為隧道微氣壓波。

微氣壓波主要是能量低于20Hz的次聲波，可傳遞到400米遠(yuǎn)的地方，對(duì)生活在隧道附近的居民來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)令人討厭的噪聲環(huán)境。微氣壓波的大小與到達(dá)隧道口的壓力波波面的壓力變化的程度成正比，與到出口的距離成反比。壓力變化的程度又與列車(chē)進(jìn)入隧道速度的3次方成正比。

一般而言，在短隧道內(nèi)，微氣壓波與列車(chē)進(jìn)入隧道速度的3次方成正比；在長(zhǎng)大隧道內(nèi)，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的微氣壓波比有砟軌道結(jié)構(gòu)的微氣壓波要大。為了解決微氣壓波問(wèn)題，在車(chē)體設(shè)計(jì)上要減小車(chē)體的橫截面積，使得列車(chē)橫截面積與隧道橫截面積的比值（阻塞比）減小，并對(duì)車(chē)頭流線型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整列車(chē)頭部截面變化率，列車(chē)頭部的截面呈線性變化，進(jìn)隧道時(shí)形成的壓力梯度較低，可以有效減小微氣壓波。

在空氣中高速前行的列車(chē)引起空氣流紊亂，從而產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲又是一個(gè)影響列車(chē)乘坐舒適性的氣動(dòng)問(wèn)題。

高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲能量與列車(chē)速度的6-8次方成正比，如果把列車(chē)速度從200公里/小時(shí)提高到300公里/小時(shí)，氣動(dòng)噪聲將提高約10─14分貝。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，設(shè)計(jì)人員把流線型車(chē)頭設(shè)計(jì)的尖而長(zhǎng)，把車(chē)輛斷面積盡量減小，同時(shí)讓車(chē)體盡量平整光滑不要出現(xiàn)凹凸的部分。為了減小高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲，除車(chē)體設(shè)計(jì)上外，還要減小車(chē)輛頂部受流系統(tǒng)引起的氣動(dòng)噪聲，為此設(shè)計(jì)人員對(duì)受電弓及其周邊裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。安裝受電弓導(dǎo)流罩、開(kāi)發(fā)低噪聲受電弓、采用低噪聲絕緣子等來(lái)減少車(chē)頂受流系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲。

我國(guó)高速列車(chē)自主研發(fā)的里程碑——CRH380A

CRH380A是我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組自主研發(fā)的標(biāo)志性里程碑，CRH380A是在CRH2的基礎(chǔ)上完全由我國(guó)自主設(shè)計(jì)而來(lái)的第二代高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)，最高運(yùn)行速度為380公里/小時(shí)，持續(xù)運(yùn)營(yíng)速度為350公里/小時(shí)。

第一次看到CRH380A，撲入我們眼簾的就是它們那嶄新的貌似火箭的頭型。為了讓列車(chē)最高運(yùn)行速度達(dá)到380公里/小時(shí)，解決因速度提升帶來(lái)的安全性、舒適性以及節(jié)能環(huán)保性等帶來(lái)的影響，如何通過(guò)合理的頭型設(shè)計(jì)，減小列車(chē)運(yùn)行阻力、抑制運(yùn)行噪聲、減小列車(chē)高速交會(huì)時(shí)的氣動(dòng)壓力波幅值、保證司機(jī)視角、兼顧中國(guó)文化因素等等，都是令設(shè)計(jì)者們煞費(fèi)苦心的事情。

CRH380A頭型為旋轉(zhuǎn)拋物體特征的楔形結(jié)構(gòu)，縱斷面型線為雙拱形，，水平斷面線型為長(zhǎng)扁型。與CHR2相比，CRH2的車(chē)頭長(zhǎng)度只有9.4米，而CRH380A的車(chē)頭長(zhǎng)度達(dá)到12米，長(zhǎng)細(xì)比增加了30%左右；CRH2的車(chē)頭截面積為11.2平方米，CRH380A的截面積略小，為11.12平方米；為了降低交會(huì)壓力波，提高列車(chē)運(yùn)行時(shí)的橫向穩(wěn)定性，CRH380A加大了車(chē)體的側(cè)頂弧度。正是通過(guò)這些技術(shù)努力，CRH380A頭型在綜合氣動(dòng)性能方面較CRH2C有了明顯提升。

高速列車(chē)外形固然漂亮，但它們絕不是單純的美術(shù)品。在列車(chē)優(yōu)美的線條下都有空氣動(dòng)力學(xué)的支撐，保證列車(chē)高速、安全、舒適的運(yùn)行。經(jīng)過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的車(chē)體結(jié)構(gòu)，會(huì)具有氣動(dòng)性能更佳優(yōu)異的頭部外形、更高的強(qiáng)度、更光滑的車(chē)身和更好的氣密性。

“我不是跑得快，而是飛得低” -- CRH380A

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