高鐵為什么長這樣?
——不是跑得快，而是飛得低

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)問題如氣動(dòng)阻力、交會(huì)壓力波、隧道壓力波、氣動(dòng)噪聲進(jìn)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(dòng)阻力,壓力波,氣動(dòng)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(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.但列車運(yùn)行時(shí)的空氣阻力很大么，有必要這么重視么？列車正常運(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;但隨著列車運(yùn)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(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)人員基本上不用專門去考慮空氣阻力的影響.可是，對(duì)于時(shí)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(jì)者通常需要利用空氣動(dòng)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(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.到底什么樣的車頭形狀更合適，設(shè)計(jì)人員根據(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)試車體周圍的氣流、列車表面壓力、氣動(dòng)力等參數(shù)，來決定最佳的車頭流線型.只要在站臺(tái)上稍微注意過高速列車車體，我們就會(huì)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(hù)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(yùn)行時(shí)的空氣阻力是高速列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)重要的優(yōu)化方向，但不是全部.列車以高速運(yùn)行時(shí)，原本在中、低速時(shí)沒有表現(xiàn)出來的問題往往會(huì)顯現(xiàn)出來,如壓力波問題、氣動(dòng)噪聲問題等.

我們?cè)诔俗咚賱?dòng)車組列車時(shí)有過這樣的體驗(yàn)：原本平穩(wěn)運(yùn)行的列車，在對(duì)面列車疾馳而過時(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)就是由列車的交會(huì)壓力波所引起的.列車會(huì)車時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的列車車頭對(duì)空氣形成擠壓，會(huì)在列車交會(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)，見圖2.列車速度越高，會(huì)車產(chǎn)生的壓力波強(qiáng)度也就越大.兩列車相向交會(huì)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的會(huì)車壓力波作用在車體上會(huì)對(duì)列車側(cè)壁和側(cè)窗強(qiáng)度、列車運(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)行安全問題，如車體側(cè)窗破碎、車輛蛇形運(yùn)動(dòng)、輪緣與道軌因側(cè)向沖擊造成磨損等.我國鐵路客運(yùn)提速至160km/h，就曾多次發(fā)生會(huì)車引起的列車側(cè)窗玻璃破碎事故.如今列車的運(yùn)行速度都在200km/h以上甚至是350km/h，會(huì)車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，有可能帶來更大的負(fù)面效應(yīng).在列車氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)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(huì)壓力波幅值.

圖2

高速列車在隧道內(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)列車的表面壓力幅值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于列車在明線運(yùn)行時(shí)的表面壓力，見圖 3.列車進(jìn)入隧道時(shí)，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(gè)壓縮波，向隧道出口以音速傳播；當(dāng)列車的車尾進(jìn)入隧道時(shí)，列車后方由于隧道內(nèi)空氣來不及補(bǔ)充，壓力急劇降低，形成一個(gè)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(huì)以微氣壓波的形式向外散射，另一部分發(fā)生相互轉(zhuǎn)化后反射回來向隧道入口傳播.如果隧道比較長，隧道內(nèi)壓力波會(huì)反復(fù)作用于列車，使得列車表面壓力在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，這種劇烈的壓力變化考驗(yàn)著列車的氣密性，如果列車氣密性較差，車外的壓力波動(dòng)會(huì)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(shí)，受隧道壓力波的影響，列車在隧道內(nèi)所受的氣動(dòng)力會(huì)發(fā)生不平衡的現(xiàn)象:我國在高鐵運(yùn)營期間，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)列車在隧道中運(yùn)行時(shí)尾車出現(xiàn)橫向擺動(dòng)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(qiáng)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(jìn)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(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，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(duì)生活在隧道附近的居民來說，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)，微氣壓波與列車進(jìn)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(jì)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(duì)車頭流線型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jìn)隧道時(shí)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(dòng)噪聲又是一個(gè)影響列車乘坐舒適性的氣動(dòng)問題.

高速列車氣動(dòng)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(dòng)噪聲將提高約 10～14dB.根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，設(shè)計(jì)人員把流線型車頭設(shè)計(jì)得尖而長，把車輛斷面積盡量減小，同時(shí)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(dòng)噪聲，除車體設(shè)計(jì)外，還要減小車輛頂部受流系統(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(dòng)噪聲.

圖5

CRH380A是我國高速動(dòng)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(jì)而來的第二代高速動(dòng)車組列車，最高運(yùn)行速度為380km/h，持續(xù)運(yùn)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(yùn)行速度達(dá)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(jì)，減小列車運(yùn)行阻力、抑制運(yùn)行噪聲、減小列車高速交會(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，水平斷面線型為長扁型.與只有9.4m車頭長度的CHR2相比，CRH380A的車頭長度達(dá)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(huì)壓力波，提高列車運(yùn)行時(shí)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(dòng)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(dòng)力學(xué)的支撐，保證了列車高速、安全、舒適的運(yùn)行.經(jīng)過空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的車體結(jié)構(gòu)，會(huì)具有氣動(dòng)性能更加優(yōu)異的頭部外形、更高的強(qiáng)度、更光滑的車身和更好的氣密性.

O355

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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(shí)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)