河北省石家莊市二中高三14班 楊翹楚

假期旅游，我在高鐵車站站臺短暫候車，鄰近車道恰好有列車通過，我感覺有股風從站臺上刮過。我不禁感嘆，列車經(jīng)過竟會產(chǎn)生這么大的風！列車離我所在的站臺還有一定的距離，我都能明顯感覺有風刮過，如果我和列車的距離更近一點的話，風是否會更大呢？同時我想，這風是否會對鐵路設(shè)施以及養(yǎng)護人員的安全構(gòu)成威脅呢？

帶著這些問題，我查閱了相關(guān)資料并得知，原來這種現(xiàn)象叫“列車風”。由于空氣具有黏性，當列車高速行駛時，緊貼列車表面的空氣粘附于列車表面隨列車一起運動，而接近車體表面的空氣層受內(nèi)層空氣的黏性摩擦作用，也以一定的速度隨車而流，其流速隨該空氣層距車體表面距離的增加而降低。當該距離增加到一定值時，空氣不再受列車運行的影響，我們把受到列車運行影響的空氣層稱為邊界層。邊界層內(nèi)的空氣隨列車一起向前流動，這股空氣流被稱為“列車風”。

我國目前的高鐵運營時速已達350 千米，高鐵列車在這樣的速度下，會產(chǎn)生多大的列車風呢？而列車風在列車經(jīng)過的空間內(nèi)又是如何分布呢？為弄明白這一系列的問題，我來到了石家莊鐵道大學(xué)，向相關(guān)領(lǐng)域的老師請教。通過老師的講解和進一步查閱資料，我對列車風有了更加深入的了解。

原來列車風不僅與列車速度和距車體表面的距離有關(guān)系，還與列車所處的空間、車頭形狀等因素有很大關(guān)系，比如列車經(jīng)過隧道、車站雨棚等空間時產(chǎn)生的列車風與它在開放空間產(chǎn)生的列車風有很大區(qū)別；同樣的空間下，不同車頭產(chǎn)生的列車風也有很大差別。目前關(guān)于高速列車風的研究以試驗和計算機模擬為主要手段，這些都需要深厚的專業(yè)背景。對于我這樣的高中生來講，是否有其他手段來了解列車風在空間的分布呢？老師建議我從現(xiàn)行的規(guī)范或技術(shù)資料入手。

經(jīng)過查找技術(shù)資料，發(fā)現(xiàn)我國在2014年發(fā)布的《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）中有關(guān)于列車風的規(guī)定。規(guī)范中7.2.23對列車引起的氣動力計算做了如下規(guī)定：

1.列車引起的氣動壓力和氣動吸力應(yīng)由一個5m長的移動面荷載+q及一個5m長的移動面荷載-q組成。

2.氣動力應(yīng)分為水平氣動力qh和垂直氣動力qv。水平氣動力作用在軌頂之上的最大高度為5m。水平氣動力qh可由規(guī)范中7.2.23的曲線查取。垂直氣動力qv按下式計算：

qh——水平氣動力（kN/m2）；

D——作用線至線路中心距離(m)。

根據(jù)《規(guī)范》，我們可以得出以下結(jié)論：

1.車頭經(jīng)過時，由于車頭對空氣的擠壓，空氣壓力會陡然升高，形成空氣壓力；車頭過后，由于空氣伴隨車體的運動和拖拽，該處空氣壓力會降低到負值，形成空氣吸力。

2.《規(guī)范》為了方便計算，保守起見，將氣動力簡化為一個5m 長的移動面荷載+q及一個5m長的移動面荷載-q。

3.面荷載大小與車速和作用線至線路中心距離有關(guān)；在同樣車速情況下，荷載隨作用線至線路中心距離增大而非線性減??；在相同作用線至線路中心距離處，荷載隨車速增大而增大。

4.《規(guī)范》在軌頂之上5m 范圍內(nèi)適用。

5.《規(guī)范》沒有考慮列車形狀對氣動力的影響。

6.《規(guī)范》考慮了列車通過空間對氣動力的影響，列車通過有頂蓋的空間時，考慮頂蓋的阻擋，氣動力強度增大到露天情況的1.5倍。

將氣動力強度公式計算范圍進行拓展，考慮水平氣動力與列車側(cè)面的垂直關(guān)系，將水平氣動力強度等效為標準風壓。為了更加直觀了解風力等級，將風壓轉(zhuǎn)換為風速，如式(2)所示。

式中：qh為風壓；g為重力加速度，本文取9.8m/s；ρ為空氣密度，本文取為0.012018 kN/m3；v為風速，將以上參數(shù)代入可得

CRH380 動車組的外形尺寸，車體寬3.4m，車體高3.7m，以該輪廓基礎(chǔ)，計算列車周圍空間各點的風速，然后依據(jù)風速等高線繪制風速分布，如圖1～圖7所示。

圖1 車速350km/h

圖2 車速300km/h

圖3 車速250km/h

圖4 車速220km/h

圖5 車速200km/h

圖6 車速180km/h

圖7 車速160km/h

從圖中可以看出，列車以車速350km/h 通過時，距離線路中心線2m 處（距列車輪廓0.3m）的風速可達51m/s，對應(yīng)于Beaufort 風力等級表中的風力等級為16級；而距離線路中心線6m處（距列車輪廓4.3m）的風速可達21m/s，風力表中對應(yīng)為9 級；可見以350km/h 運行的列車產(chǎn)生的列車風是相當大的。所以該車速運行列車時應(yīng)重點考慮列車風對設(shè)施及養(yǎng)護人員安全的影響。

列車風是一種復(fù)雜的流體湍流現(xiàn)象，與列車外形、所處空間環(huán)境、車速等因素密切相關(guān)。本研究僅是在現(xiàn)有規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用規(guī)范中的數(shù)據(jù)，將列車風進行了空間上的簡單推演，實際情況的列車風會與本研究結(jié)果有出入。