郭迪龍 郭 易 楊國偉

(中國科學(xué)院力學(xué)研究所,流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點實驗室,北京100190)

高鐵為什么長這樣?
——不是跑得快，而是飛得低

郭迪龍1)郭 易 楊國偉

(中國科學(xué)院力學(xué)研究所,流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點實驗室,北京100190)

在過去十年中，中國高速列車迎來了爆炸式的發(fā)展，本文就高速列車主要涉及到的空氣動力學(xué)問題如氣動阻力、交會壓力波、隧道壓力波、氣動噪聲進行了闡述，并就這些問題的影響因素和規(guī)律給出了介紹.

高速列車,氣動阻力,壓力波,氣動噪聲

說起高速列車，我們印象最深的就是它 “子彈頭”形狀的流線型頭型，見圖 1，與之前方方正正的“綠皮車”有明顯的區(qū)別.高速列車采用流線型頭型，目的是優(yōu)化其空氣動力學(xué)性能，降低空氣阻力、壓力波、噪聲等，提高運行速度.但列車運行時的空氣阻力很大么，有必要這么重視么？列車正常運行時，行駛阻力一般包括輪軌滾動阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速時的慣性阻力.在低速運行時，輪軌阻力占主要部分;但隨著列車運行速度提高，空氣阻力將增加，當(dāng)列車速度超過200km/h后，其將成為列車運行阻力的主要部分.

日常生活中，我們都有這種經(jīng)歷：在微風(fēng)中逆風(fēng)行走，我們幾乎不會意識到風(fēng)的阻力存在.然而，若是在5級以上的大風(fēng)中逆風(fēng)而行，風(fēng)的阻力之大，就會讓我們體會到什么叫寸步難行了.列車運行時受到的空氣阻力與速度的平方成正比，因此，中、低速“綠皮”列車運行就好比我們在微風(fēng)中行走，設(shè)計人員基本上不用專門去考慮空氣阻力的影響.可是，對于時速200km以上的高速列車，情形可就不一樣了，空氣阻力可以占列車行駛阻力的 75%以上，設(shè)計者通常需要利用空氣動力學(xué)原理，通過流線化車頭、車身、車體附屬部分來盡量減少空氣阻力.空氣阻力由三部分組成：一是列車車頭迎風(fēng)受到的正面壓力，列車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：二是由于空氣黏性而引起的作用于車體表面的摩擦阻力；三是有車輛轉(zhuǎn)向架、車頂設(shè)備、門窗、車廂間鏈接風(fēng)擋等車輛表面凹凸結(jié)構(gòu)引起的干擾阻力.高速列車車頭設(shè)計成流線型的主要目的是為了減小壓差阻力.這個設(shè)計思想和飛機的外形設(shè)計差不多.然而，流線型也是各種各樣的.到底什么樣的車頭形狀更合適，設(shè)計人員根據(jù)空氣動力學(xué)原理，進行計算機仿真模擬和模型實驗，測試車體周圍的氣流、列車表面壓力、氣動力等參數(shù)，來決定最佳的車頭流線型.只要在站臺上稍微注意過高速列車車體，我們就會發(fā)現(xiàn)它有很多和普通列車不一樣的地方：車體側(cè)壁幾乎沒有凹凸不平的地方，車廂底部的各種裝置全被光滑平整的“車裙”─裙板罩住，車廂頂部的受電弓也用專門為它制作的導(dǎo)流罩保護起來.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.

降低列車運行時的空氣阻力是高速列車氣動設(shè)計時重要的優(yōu)化方向，但不是全部.列車以高速運行時，原本在中、低速時沒有表現(xiàn)出來的問題往往會顯現(xiàn)出來,如壓力波問題、氣動噪聲問題等.

我們在乘坐高速動車組列車時有過這樣的體驗：原本平穩(wěn)運行的列車，在對面列車疾馳而過時,伴隨著一聲呼嘯發(fā)生了短暫而較強的橫向晃動,這種橫向晃動就是由列車的交會壓力波所引起的.列車會車時，相對運動的列車車頭對空氣形成擠壓，會在列車交會內(nèi)側(cè)的側(cè)壁上產(chǎn)生交替的高壓區(qū)和低壓區(qū)，見圖2.列車速度越高，會車產(chǎn)生的壓力波強度也就越大.兩列車相向交會運行時產(chǎn)生的會車壓力波作用在車體上會對列車側(cè)壁和側(cè)窗強度、列車運行穩(wěn)定性和旅客乘坐舒適性產(chǎn)生不利影響，甚至可能產(chǎn)生運行安全問題，如車體側(cè)窗破碎、車輛蛇形運動、輪緣與道軌因側(cè)向沖擊造成磨損等.我國鐵路客運提速至160km/h，就曾多次發(fā)生會車引起的列車側(cè)窗玻璃破碎事故.如今列車的運行速度都在200km/h以上甚至是350km/h，會車壓力波的變化幅值和最大正、負(fù)壓力極值都會急劇增大，有可能帶來更大的負(fù)面效應(yīng).在列車氣動外形設(shè)計方面，加長列車流線型頭部長度，采用扁寬型頭型，可以有效減小交會壓力波幅值.

圖2

高速列車在隧道內(nèi)運行是最為復(fù)雜和惡劣的運行工況，在隧道內(nèi)運行時列車的表面壓力幅值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于列車在明線運行時的表面壓力，見圖 3.列車進入隧道時，列車前方的空氣受到擠壓來不及從隧道口排除，壓力急劇升高，在入口處產(chǎn)生一個壓縮波，向隧道出口以音速傳播；當(dāng)列車的車尾進入隧道時，列車后方由于隧道內(nèi)空氣來不及補充，壓力急劇降低，形成一個膨脹波，這一膨脹波掠過車體以聲速向隧道出口傳播.在隧道出口,壓縮波和膨脹波一部分會以微氣壓波的形式向外散射，另一部分發(fā)生相互轉(zhuǎn)化后反射回來向隧道入口傳播.如果隧道比較長，隧道內(nèi)壓力波會反復(fù)作用于列車，使得列車表面壓力在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，這種劇烈的壓力變化考驗著列車的氣密性，如果列車氣密性較差，車外的壓力波動會傳入車內(nèi)，引起車內(nèi)壓力發(fā)生突變，造成乘客耳鳴，影響乘坐舒適性.同時，受隧道壓力波的影響，列車在隧道內(nèi)所受的氣動力會發(fā)生不平衡的現(xiàn)象:我國在高鐵運營期間，發(fā)現(xiàn)在具有多個隧道的線路上運行時，列車輪軌之間的磨損比完全明線運行條件下要嚴(yán)重得多；日本還發(fā)現(xiàn)列車在隧道中運行時尾車出現(xiàn)橫向擺動現(xiàn)象.一般地，減小列車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度，這也是高速列車一直在追求“苗條”和“瘦身”的原因之一.

圖3

高速列車進入隧道后，隧道內(nèi)的空氣受到擠壓，形成壓力波并以音速向隧道出口方向快速推進，壓力波到達出口時，一部分壓力波以脈沖的形式向四周發(fā)射出去，同時產(chǎn)生爆破聲，這種波被稱為隧道微氣壓波，見圖 4.微氣壓波主要是能量低于20Hz的次聲波，可傳遞到400m遠(yuǎn)的地方，對生活在隧道附近的居民來說，這是一個令人討厭的噪聲環(huán)境.微氣壓波的大小與到達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進入隧道速度的3次方成正比.一般而言，在短隧道內(nèi)，微氣壓波與列車進入隧道速度的3次方成正比；在長大隧道內(nèi)，無砟軌道結(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題，在車體設(shè)計上要減小車體的橫截面積，使得列車橫截面積與隧道橫截面積的比值(阻塞比)減小，并對車頭流線型進行優(yōu)化設(shè)計，調(diào)整列車頭部截面變化率，列車頭部的截面呈線性變化，進隧道時形成的壓力梯度較低，可以有效減小微氣壓波.

圖4

在空氣中高速前行的列車引起空氣流紊亂，從而產(chǎn)生的氣動噪聲又是一個影響列車乘坐舒適性的氣動問題.

高速列車氣動噪聲能量與列車速度的 6～8次方成正比，如果把列車速度從 200km/h提高到300km/h，氣動噪聲將提高約 10～14dB.根據(jù)空氣動力學(xué)原理，設(shè)計人員把流線型車頭設(shè)計得尖而長，把車輛斷面積盡量減小，同時讓車體盡量平整光滑不要出現(xiàn)凹凸的部分，見圖5.為了減小高速列車氣動噪聲，除車體設(shè)計外，還要減小車輛頂部受流系統(tǒng)引起的氣動噪聲，為此設(shè)計人員對受電弓及其周邊裝置進行優(yōu)化設(shè)計.安裝受電弓導(dǎo)流罩、開發(fā)低噪聲受電弓、采用低噪聲絕緣子等來減少車頂受流系統(tǒng)的氣動噪聲.

圖5

CRH380A是我國高速動車組自主研發(fā)的標(biāo)志性里程碑，是在CRH2的基礎(chǔ)上完全由我國自主設(shè)計而來的第二代高速動車組列車，最高運行速度為380km/h，持續(xù)運營速度為 350km/h，見圖 6.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.為了讓列車最高運行速度達到 380km/h，解決因速度提升帶來的安全性、舒適性以及節(jié)能環(huán)保性等問題，如何通過合理的頭型設(shè)計，減小列車運行阻力、抑制運行噪聲、減小列車高速交會時的氣動壓力波幅值、保證司機視角、兼顧中國文化因素等等，都是令設(shè)計者們煞費苦心的事情.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，水平斷面線型為長扁型.與只有9.4m車頭長度的CHR2相比，CRH380A的車頭長度達到12m，長細(xì)比增加了30%左右；CRH2的車頭截面積為11.2m2，CRH380A的截面積為11.12m2.為了降低交會壓力波，提高列車運行時的橫向穩(wěn)定性，CRH380A加大了車體的側(cè)頂弧度.正是通過這些技術(shù)努力，CRH380A頭型在綜合氣動性能方面較CRH2C有了明顯提升.

圖6

高速列車外形固然漂亮，但它們絕不是單純的美術(shù)品.在列車優(yōu)美的線條下都有空氣動力學(xué)的支撐，保證了列車高速、安全、舒適的運行.經(jīng)過空氣動力學(xué)優(yōu)化的車體結(jié)構(gòu)，會具有氣動性能更加優(yōu)異的頭部外形、更高的強度、更光滑的車身和更好的氣密性.

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10.6052/1000-0879-17-377

本文于 2017–11–03收到.

1)E-mail:jack9517@126.com

郭迪龍,郭易,楊國偉.高鐵為什么長這樣?——不是跑得快，而是飛得低.力學(xué)與實踐,2017,39(6):629-631

Guo Dilong,Guo Yi,Yang Guowei.Why does the high-speed train look like this?Mechanics in Engineering,2017,39(6):629-631

(責(zé)任編輯:胡 漫)