高铁为什么长这样？不是跑得快，而是飞得低

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　　说起高速列车，我们印象最深的就是它“子弹头”形状的流线型头型，与之前方方正正的“绿皮车”有明显的区别。高速列车采用流线型头型，目的是优化其空气动力学性能，降低空气阻力、压力波、噪声等，提高运行速度。但列车运行时的空气阻力很大么，有必要这么重视么?列车正常运行时，行驶阻力一般包括轮轨滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速时的惯性阻力，在低速运行时，轮轨阻力占主要部分，但随着列车运行速度提高，空气阻力将增加，当列车速度超过200公里/小时后，其将成为列车运行阻力的主要部分。

　　日常生活中，我们都有这种经历：在微风中逆风行走，我们几乎不会意识到风的阻力存在。然而，若是在5级以上的大风中逆风而行，风的阻力之大，就会让我们体会到什么叫寸步难行了。列车运行时受到的空气阻力与速度的平方成正比，因此，中、低速“绿皮”列车运行就好比我们在微风中行走，设计人员基本上不用专门去考虑空气阻力的影响。可是，对于时速200公里以上的高速列车，情形可就不一样了，空气阻力可以占列车行驶阻力的75%以上，设计者通常需要利用空气动力学原理，通过流线化车头、车身、车体附属部分来尽量减少空气阻力。空气阻力由三部分组成：

　　  · 一是，列车车头迎风受到的正面压力，列车尾部由于空气尾流引起空气稀薄而产生的向后的拉力，这样由于头部及尾部压力差形成的阻力称为压差阻力;

　　  · 二是，由于空气粘性而引起的作用于车体表面的摩擦阻力;


　　  · 三是，有车辆转向架、车顶设备、门窗、车厢间链接风挡等车辆，表面凹凸结构引起的干扰阻力。


　　高速列车车头设计成流线型的主要目的是为了减小压差阻力。这个设计思想和飞机的外形设计差不多。然而，流线型也是各种各样的。到底什么样的车头形状更合适，设计人员根据空气动力学原理，进行计算机仿真模拟和模型实验，测试车体周围的气流、列车表面压力、气动力等参数，来决定最佳的车头流线型。只要在站台上稍微注意过高速列车车体，我们就会发现它有很多和普通列车不一样的地方：车体侧壁几乎没有凹凸不平的地方，车厢底部的各种装置全被光滑平整的“车裙”─ 裙板罩住，车厢顶部的受电弓也用专门为它制作的导流罩保护起来。这一切的努力，主要是为了减小由空气引起的摩擦阻力和干扰阻力。

　　降低列车运行时的空气阻力是高速列车气动设计时重要的优化方向，但不是全部。列车以高速运行，原本在中、低速时没有表现出来的问题，往往会显现出来。如压力波问题、气动噪声问题等。

　　我们在乘坐高速动车组列车时有过这样的体验：原本平稳运行的列车，在对面列车疾驰而过时伴随着一声呼啸发生了短暂而较强的横向晃动。这种横向晃动就是由列车的交会压力波所引起的。列车会车时，相对运动的列车车头对空气形成挤压，便会在列车交会内侧的侧壁上产生交替的高压区和低压区。列车速度越高，会车产生的压力波强度也就越大。两列车相向交会运行时产生的会车压力波作用在车体上会对列车侧壁和侧窗强度、列车运行稳定性和旅客乘坐舒适性产生不利影响，甚至可能产生运行安全问题，如车体侧窗破碎、车辆蛇形运动、轮缘与道轨因侧向冲击造成磨损等。我国铁路客运提速至160公里/小时，就曾多次发生会车引起的列车侧窗玻璃破碎事故。如今列车的运行速度都在200公里/小时以上，甚至是350公里/小时，会车压力波的变化幅值和最大正、负压力极值都会急剧增大，有可能带来更大的负面效应。在列车气动外形设计方面，加长列车流线型头部长度，采用扁宽型头型，可以有效减小交会压力波幅值。

　　高速列车在隧道内运行是最为复杂和恶劣的运行工况，在隧道内运行时列车的表面压力幅值要远远大于列车在明线运行时的表面压力。列车进入隧道时，列车前方的空气受到挤压来不及从隧道口排除，压力急剧升高，在入口处产生一个压缩波，向隧道出口以音速传播;当列车的车尾进入隧道时，列车后方由于隧道内空气来不及补充，压力急剧降低，形成一个膨胀波，这一膨胀波将掠过车体以音速向隧道出口传播。在隧道出口压缩波和膨胀波一部分会以微气压波的形式向外散射，另一部分发生相互转化后反射回来向隧道入口传播。如果隧道比较长，隧道内压力波会反复作用于列车，使得列车表面压力在短时间内发生剧烈变化，这种剧烈的压力变化考验着列车的气密性，如果列车气密性较差，车外的压力波动会传入车内，引起车内压力发生突变，造成乘客耳鸣，影响乘坐舒适性。同时，受隧道压力波的影响，列车在隧道内所受的气动力会发生不平衡的现象。我国在高铁运营期间，发现在具有多个隧道的线路上运行时，列车轮、轨之间的磨损比完全明线运行条件下要严重得多;日本还发现列车在隧道中运行时尾车出现横向摆动现象。一般地，减小列车最大横截面积与隧道横截面积的比值(阻塞比)，可以有效地减弱隧道压力波的强度，这也是高速列车一直在追求“苗条”和“瘦身”的原因之一。

　　高速列车进入隧道后，隧道内的空气收到挤压，形成压力波以音速向隧道出口方向快速推进，压力波到达出口时，一部分压力波以脉冲的形式向四周发射出去，同时产生爆破声，这种波被称为隧道微气压波。微气压波主要是能量低于20Hz的次声波，可传递到400米远的地方，对生活在隧道附近的居民来说，这是一个令人讨厌的噪声环境。微气压波的大小与到达隧道口的压力波波面的压力变化的程度成正比，与到出口的距离成反比。压力变化的程度又与列车进入隧道速度的3次方成正比。一般而言，在短隧道内，微气压波与列车进入隧道速度的3次方成正比;在长大隧道内，无砟轨道结构的微气压波比有砟轨道结构的微气压波要大。为了解决微气压波问题，在车体设计上要减小车体的横截面积，使得列车横截面积与隧道横截面积的比值(阻塞比)减小，并对车头流线型进行优化设计，调整列车头部截面变化率，列车头部的截面呈线性变化，进隧道时形成的压力梯度较低，可以有效减小微气压波。

　　微气压波的产生过程

　　在空气中高速前行的列车引起空气流紊乱，从而产生的气动噪声又是一个影响列车乘坐舒适性的气动问题。

　　高速列车气动噪声能量与列车速度的6-8次方成正比，如果把列车速度从200公里/小时提高到300公里/小时，气动噪声将提高约10─14分贝。根据空气动力学原理，设计人员把流线型车头设计的尖而长，把车辆断面积尽量减小，同时让车体尽量平整光滑不要出现凹凸的部分。为了减小高速列车气动噪声，除车体设计上外，还要减小车辆顶部受流系统引起的气动噪声，为此设计人员对受电弓及其周边装置进行优化设计。安装受电弓导流罩、开发低噪声受电弓、采用低噪声绝缘子等来减少车顶受流系统的气动噪声。

　　CRH380A是我国高速动车组自主研发的标志性里程碑，CRH380A是在CRH2的基础上完全由我国自主设计而来的第二代高速动车组列车，最高运行速度为380公里/小时，持续运营速度为350公里/小时。第一次看到CRH380A，扑入我们眼帘的就是它们那崭新的貌似火箭的头型。为了让列车最高运行速度达到380公里/小时，解决因速度提升带来的安全性、舒适性以及节能环保性等带来的影响，如何通过合理的头型设计，减小列车运行阻力、抑制运行噪声、减小列车高速交会时的气动压力波幅值、保证司机视角、兼顾中国文化因素等等，都是领设计者们煞费苦心的事情。CRH380A头型为旋转抛物体特征的楔形结构，纵断面型线为双拱形，水平断面线型为长扁型。与CHR2相比，CRH2的车头长度只有9.4米，而CRH380A的车头长度达到12米，长细比增加了30%左右;CRH2的车头截面积为11.2平方米，CRH380A的截面积略小，为11.12平方米;为了降低交会压力波，提高列车运行时的横向稳定性，CRH380A加大了车体的侧顶弧度。正是通过这些技术努力，CRH380A头型在综合气动性能方面较CRH2C有了明显提升。

　　高速列车外形固然漂亮，但它们绝不是单纯的美术品。在列车优美的线条下都有空气动力学的支撑，保证列车高速、安全、舒适的运行。经过空气动力学优化的车体结构，会具有气动性能更佳优异的头部外形、更高的强度、更光滑的车身和更好的气密性。

　　“我不是跑得快，而是飞得低” -- CRH380A

　　来源：力学科普公众号(ID：lxkp_cstam)，原文刊载于《力学与实践》2017年第6期，略有改动。作者：郭迪龙，郭易等

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现在是复兴号了，速度更快，可能设计还略有改变。