論氣體力學(xué)對(duì)高速列車的影響與發(fā)展前景

楚尊睿

摘 要：隨著2007年4月18日開(kāi)始的中國(guó)鐵路第六次大提速，我國(guó)的列車從要去部分地段線路基礎(chǔ)基本時(shí)速達(dá)到200公里列車的要求變成全路能搞開(kāi)行時(shí)速120公里旅客列車的線路。從原來(lái)的1.6萬(wàn)公里變成2.2萬(wàn)公里，而其中時(shí)速超過(guò)250公里的線路就有超過(guò)846公里。而隨著近11年中國(guó)鐵路的不斷發(fā)展，我國(guó)已從原來(lái)的鐵路大國(guó)躍身為鐵路強(qiáng)國(guó)，部分的高速鐵路技術(shù)已經(jīng)位于世界前列。但隨著速度不斷地提高，一些限制速度再提高與危害列車安全的問(wèn)題也在不斷地出現(xiàn)。其中氣體力學(xué)對(duì)高速列車安全性與速度的再提高中起著不可磨滅的影響。

關(guān)鍵詞：高速列車；氣體力學(xué)；車頭流線型設(shè)計(jì)

一、高速列車頭部的外形設(shè)計(jì)考慮因素

高速列車的車頭外形影響著整輛列車的穩(wěn)定性與整輛列車的阻力。那么什么樣的車頭外形才能減少阻力，提高穩(wěn)定性呢？眾所周知，列車的頭，尾形狀影響著空氣壓差阻力、升力和橫風(fēng)穩(wěn)定性等因素。并且動(dòng)車分為動(dòng)力集中性與與動(dòng)力分散型列車，而動(dòng)力分散性列車則是將動(dòng)力裝置分別安裝在車頭和車尾，過(guò)車頭車尾動(dòng)力機(jī)車帶動(dòng)中間的無(wú)動(dòng)力機(jī)車。所以說(shuō)像類似CRH380A這種動(dòng)車組的車頭采用為可降低空氣阻力的流線型的動(dòng)車，時(shí)速可以高達(dá)350公里每小時(shí)，但是在中國(guó)科學(xué)院氣體力學(xué)風(fēng)洞研究所中，我們國(guó)家目前的理想高速列車模型中，時(shí)速可高達(dá)500公里每小時(shí)，但是為什么但目前為止，我沒(méi)還沒(méi)有一個(gè)500公里的高速列車下線運(yùn)行呢？

二、高速列車基本外形與阻力的影響

問(wèn)題就在于目前在全球范圍內(nèi)沒(méi)有找到一個(gè)能克服在如此高速的狀況下，能夠平穩(wěn)運(yùn)行的車頭模型。就連目前位于世界上商業(yè)運(yùn)營(yíng)速度最快、科技含量最高、系統(tǒng)匹配最優(yōu)的動(dòng)車組的車頭也是從當(dāng)初20個(gè)模型中，去掉性能不好，與外形不美觀的經(jīng)過(guò)層層篩選最終成為CRH380A的車頭模型。而在所有車型中CRH380A的車型采用完全光滑的車體表面，加長(zhǎng)型的頭部設(shè)計(jì)，改變最大縱剖面輪廓線與水平輪廓線，從而降低頭車的氣動(dòng)阻力，從而達(dá)到提高列車時(shí)速的效果。

三、高速列車穩(wěn)定性的提高因素

影響高速列車平穩(wěn)運(yùn)行的因素一大部分上為脫軌問(wèn)題。而隨著速度的不斷提高。脫軌問(wèn)題也變得越來(lái)越重要。而影響脫軌問(wèn)題的主要因素則為橫風(fēng)氣動(dòng)的影響。而高速列車的側(cè)向力系數(shù)隨著傾斜的角度的變大而變打大，當(dāng)處于相同的傾斜角時(shí)，列車的頭尾的側(cè)向力系數(shù)明顯大于中間非動(dòng)力車的傾向力系數(shù)，這就是為什么一輛列車的頭尾的形狀不同于中間車廂的形狀，且列車頭尾的流動(dòng)性更高，最大縱剖面輪廓線曲率較大，而更平緩的流線型使得頭部縱向長(zhǎng)細(xì)比系數(shù)越小，這就是為什么越高速的列車，其頭部越類似于子彈的形狀。

四、雷諾數(shù)對(duì)氣動(dòng)性能的影響

影響氣動(dòng)力的另一因素則是雷諾數(shù)對(duì)于列車動(dòng)力的影響，什么是雷諾數(shù)呢？就是當(dāng)隨著列車速度的增加，列車向前所受的風(fēng)的反向作用力也變大，伴隨著列車速度的提高，與列車相對(duì)的風(fēng)速越來(lái)越高，而風(fēng)速的增加則會(huì)使氣動(dòng)力系數(shù)隨之減小，但減小的程度不會(huì)過(guò)大，雖然對(duì)列車的速度有一定的影響，但是影響是有限的，當(dāng)風(fēng)造成的對(duì)流速度為50米每秒時(shí)，氣動(dòng)力系數(shù)就不在會(huì)因?yàn)閷?duì)流速度的增加而增加了。

五、中國(guó)高速鐵路的發(fā)展前景

在21世紀(jì)，地球在人們的眼中已經(jīng)變得越來(lái)越小，各種交通事業(yè)的不斷發(fā)展與提高，使世界變成了一個(gè)整體，中國(guó)制造已經(jīng)走出國(guó)門(mén)，走向世界，立足于世界高端技術(shù)之巔，而中國(guó)的高速鐵路作為世界鐵路中的姣姣者，更應(yīng)該一馬當(dāng)先，引領(lǐng)著時(shí)代的潮流。而既然是交通工具，那么無(wú)非追逐的便是性能的不斷提高，而性能的不斷提高主要立足于三個(gè)方面，一是再次提高高速列車的速度，人們一向喜歡追逐于速度的不斷提高，而解決速度就要集中解決如何才能減小列車所受的空氣阻力，與如何不斷地提高列車行駛所必須的動(dòng)力，唯有這兩方面的同步協(xié)調(diào)與合作才能真正的實(shí)現(xiàn)中國(guó)高鐵再加速，早日的實(shí)現(xiàn)中國(guó)鐵路第7次 大提速。二是如何能在保證高速列車不斷提速的同時(shí)并且保證高速列車的穩(wěn)定性，通過(guò)不斷地改進(jìn)列車的外形，與列車的整體電子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力機(jī)車與非動(dòng)力機(jī)車速度上的相對(duì)協(xié)調(diào)。三是乘車環(huán)境的提高與優(yōu)化，不斷地完善列車上的服務(wù)業(yè)，讓乘客在列車上感到舒適，盡量減少乘客的外出出行的疲勞感。并提高一趟列車的客容量，在客流量高峰期能夠滿足于乘客的需求。

六、結(jié)論

（1）在外形設(shè)計(jì)方面堅(jiān)持流線型設(shè)計(jì)，通過(guò)協(xié)調(diào)最大縱剖面輪廓線與水平輪廓線，從而達(dá)到減少空氣阻力，提高速度的要求。

（2）參考橫風(fēng)氣動(dòng)，與側(cè)向力系數(shù)對(duì)列車穩(wěn)定性的影響，做到不僅要高速行駛，而且要保證列車運(yùn)行的平穩(wěn)性與安全性。

（3）對(duì)于列車的發(fā)展前景，我國(guó)要不斷地提高列車的科技水平，做到列車與電子信息化一體，與自動(dòng)化協(xié)調(diào)發(fā)展，正真的成為讓乘客放心，讓乘客享受舒服環(huán)境的新時(shí)代高速列車。

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