論氣體力學(xué)對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日開始的中國鐵路第六次大提速，我國的列車從要去部分地段線路基礎(chǔ)基本時速達(dá)到200公里列車的要求變成全路能搞開行時速120公里旅客列車的線路。從原來的1.6萬公里變成2.2萬公里，而其中時速超過250公里的線路就有超過846公里。而隨著近11年中國鐵路的不斷發(fā)展，我國已從原來的鐵路大國躍身為鐵路強(qiáng)國，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題也在不斷地出現(xiàn)。其中氣體力學(xué)對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

一、高速列車頭部的外形設(shè)計考慮因素

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。并且動車分為動力集中性與與動力分散型列車，而動力分散性列車則是將動力裝置分別安裝在車頭和車尾，過車頭車尾動力機(jī)車帶動中間的無動力機(jī)車。所以說像類似CRH380A這種動車組的車頭采用為可降低空氣阻力的流線型的動車，時速可以高達(dá)350公里每小時，但是在中國科學(xué)院氣體力學(xué)風(fēng)洞研究所中，我們國家目前的理想高速列車模型中，時速可高達(dá)500公里每小時，但是為什么但目前為止，我沒還沒有一個500公里的高速列車下線運行呢？

二、高速列車基本外形與阻力的影響

問題就在于目前在全球范圍內(nèi)沒有找到一個能克服在如此高速的狀況下，能夠平穩(wěn)運行的車頭模型。就連目前位于世界上商業(yè)運營速度最快、科技含量最高、系統(tǒng)匹配最優(yōu)的動車組的車頭也是從當(dāng)初20個模型中，去掉性能不好，與外形不美觀的經(jīng)過層層篩選最終成為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，加長型的頭部設(shè)計，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阻力，從而達(dá)到提高列車時速的效果。

三、高速列車穩(wěn)定性的提高因素

影響高速列車平穩(wěn)運行的因素一大部分上為脫軌問題。而隨著速度的不斷提高。脫軌問題也變得越來越重要。而影響脫軌問題的主要因素則為橫風(fēng)氣動的影響。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，列車的頭尾的側(cè)向力系數(shù)明顯大于中間非動力車的傾向力系數(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)對氣動性能的影響

影響氣動力的另一因素則是雷諾數(shù)對于列車動力的影響，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，與列車相對的風(fēng)速越來越高，而風(fēng)速的增加則會使氣動力系數(shù)隨之減小，但減小的程度不會過大，雖然對列車的速度有一定的影響，但是影響是有限的，當(dāng)風(fēng)造成的對流速度為50米每秒時，氣動力系數(shù)就不在會因為對流速度的增加而增加了。

五、中國高速鐵路的發(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，使世界變成了一個整體，中國制造已經(jīng)走出國門，走向世界，立足于世界高端技術(shù)之巔，而中國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)著時代的潮流。而既然是交通工具，那么無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力，唯有這兩方面的同步協(xié)調(diào)與合作才能真正的實現(xiàn)中國高鐵再加速，早日的實現(xiàn)中國鐵路第7次 大提速。二是如何能在保證高速列車不斷提速的同時并且保證高速列車的穩(wěn)定性，通過不斷地改進(jìn)列車的外形，與列車的整體電子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)動力機(jī)車與非動力機(jī)車速度上的相對協(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)計方面堅持流線型設(shè)計，通過協(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，與側(cè)向力系數(shù)對列車穩(wěn)定性的影響，做到不僅要高速行駛，而且要保證列車運行的平穩(wěn)性與安全性。

（3）對于列車的發(fā)展前景，我國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)境的新時代高速列車。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉坤，李人憲.高速鐵路擋風(fēng)墻高度和距離優(yōu)化分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2014（02）.

[2]姚拴寶，郭迪龍，楊國偉.基于徑向基函數(shù)網(wǎng)格變形的高速列車頭型優(yōu)化[J].力學(xué)學(xué)報，2013（06）.

[3]Multi-objective optimization design method of the high-speed train head[J].Meng-ge YU，Ji-ye ZHANG，Wei-hua ZHANG.Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering），2013（09）.

[4]廖炎平，劉莉，龍騰.基于多屬性決策的氣動隱身多目標(biāo)優(yōu)化[J].機(jī)械工程學(xué)報，2012（13）.