段修平

摘 要：良好的阻力特性是高速列車降低能耗的重要標志。利用動模型試驗、實車試驗和數(shù)值計算等不同的研究手段，開展全面的高速列車氣動阻力的研究顯得十分重要。本文系統(tǒng)地介紹了國內(nèi)外學(xué)者通過動模型試驗、實車試驗和數(shù)值計算等方法對高速列車明線工況下氣動阻力特性的研究進展和結(jié)論，對未來研究高速列車明線氣動阻力的發(fā)展方向和內(nèi)容進行了展望。

關(guān)鍵詞：高速列車；氣動阻力；明線單車；明線會車

隨著列車運行速度的提高，列車的空氣動力學(xué)問題變得越來越顯著，嚴重影響列車運行安全性和乘坐舒適性[1]。列車速度的提高不可避免的帶來氣動阻力的增加，使氣動阻力在列車總阻力中所占的比重越來越大，導(dǎo)致列車的能耗不斷增加[2]。因此，減少列車運行時的氣動阻力是降低能耗，提高列車運行經(jīng)濟性問題的關(guān)鍵。

1 明線單車運行工況

圖1表示了單列車在明線上運行時的壓力分布圖。單列車明線穩(wěn)定運行時，鼻尖處空氣被壓縮形成滯止區(qū)；氣流沿車長方向上會形成流動邊界層，其厚度在接近車體尾部時達到最大；單列車以不同速度運行時，其空氣阻力在車身不同位置的分布特征一致，數(shù)值略有不同。

對于傳統(tǒng)的列車，當(dāng)車速到達120km/h時，氣動阻力占到了總阻力的40%左右。對于更高速度的列車，擁有良好外部流線型的列車能大大降低運行時所受的氣動阻力。對于頭部長度稍大于5m的流線型動車組，當(dāng)車速達到300km/h時，列車運行時所受的氣動阻力可占到總阻力的85%以上；對于頭部長度在10m左右的流線型的高速動車組，當(dāng)車速達到300km/h時，列車運行時所受的氣動阻力也占總阻力的75%以上[3]。

國內(nèi)學(xué)者姚栓寶等運用數(shù)值仿真的方法對8編組的CRH3型動車組在明線、無側(cè)風(fēng)、車速為350km/h的運行條件下的氣動阻力分布特性進行了研究。研究表明：列車壓差阻力和氣動摩擦阻力分別占列車總氣動阻力的75.3%和24.7%。頭車和尾車氣動阻力分別占列車總氣動阻力的16.1%和15.4%；轉(zhuǎn)向架區(qū)域所受氣動阻力各占列車總氣動阻力的27.4%；風(fēng)擋區(qū)域所受氣動阻力占列車總氣動阻力的19.1%；受電弓系統(tǒng)所受氣動阻力占列車總氣動阻力的12.0%[4]。因此，減小列車氣動阻力在列車總阻力的占比，減小列車壓差阻力是重點。此外，頭車和尾車的優(yōu)化設(shè)計在降低列車運行氣動阻力中也顯得尤為重要。

2 明線會車運行工況

圖2表示了列車在明線上交會時的壓力分布圖。列車明線交會過程中，頭頭交會時刻車頭受到極大的瞬間壓力，車尾與車頭交會時車尾出現(xiàn)極大的瞬間負壓；頭尾交會時刻車頭受到更大的瞬間壓力，車頭與車尾交會時車頭出現(xiàn)壓力值更大的瞬間負壓。列車明線交會過程中，頭頭交會時刻不同速度下空氣阻力在車身不同位置的分布特征一致，數(shù)值略有不同。

列車在明線上交會時要明顯區(qū)別于單車明顯穩(wěn)定運行，交會壓力波作用在會車內(nèi)側(cè)表面，形成巨大沖擊壓力[5]。列車交會過程中，頭頭交會時刻車頭受到極大的瞬間壓力；車尾與車頭交會時，車尾出現(xiàn)極大的瞬間負壓，車身側(cè)墻交會側(cè)受到的壓力波動最大；頭尾交會時刻，車頭受到更大的瞬間壓力；車頭與車尾交會時，車頭出現(xiàn)壓力值更大的瞬間負壓，車身側(cè)墻交會側(cè)受到的壓力波動最大。在兩列高速動車組交會過程中，由于列車頭尾部產(chǎn)生的壓力瞬變使列車頭尾壓差瞬間增大或減小，引起列車氣動阻力的瞬間增大或減小。

3 結(jié)論

本文簡要的介紹了國內(nèi)高速列車明線氣動阻力的特性和研究技術(shù)進展。隨著我國高速鐵路恢復(fù)350時速，以及時速4000公里高鐵進入研發(fā)，在未來必將涉及更高速度列車氣動阻力的相關(guān)問題，降低氣動阻力在高速列車總阻力中的占比是高速列車空氣動力學(xué)研究的關(guān)鍵技術(shù)。期望通過國內(nèi)科研院所和廣大列車空氣動力學(xué)研究者的努力，為我國高速列車的發(fā)展提供高水平的氣動研究服務(wù)。

參考文獻

[1]SCHWANITZ S， WITTKOWSKI M， ROLNY V， etal.Pressure variations on a train： where is the threshold to railway passenger discomfort[J]. Applied Ergonomics， 2013， 44（2） ： 200-209.

[2]張業(yè)，孫振旭，郭迪龍，楊國偉，尚克明.風(fēng)擋縫寬對高速列車氣動性能的影響[J].鐵道學(xué)報，2017，39（3）：19-24.

[3]田紅旗.列車空氣動力學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，2007：160-161.

[4]姚栓寶，郭迪龍，楊國偉，李明高.高速列車氣動阻力分布特性研究[J].鐵道學(xué)報，2012，34（7）：18-23.

[5]田紅旗，姚松，姚曙光.列車交會壓力波對車體和側(cè)窗的影響[J].中國鐵道科學(xué)，2000，21（4）：8-14.