摘要：高速列車，不僅加強(qiáng)了列車與空氣之間的相互作用，同時(shí)也給列車的安全運(yùn)行帶來(lái)影響，復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)下所造成的事故尤其突出。很多國(guó)家的列車均有因側(cè)風(fēng)造成的不同程度的造成列車側(cè)翻等行車安全事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。高鐵車體在復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)條件下的側(cè)風(fēng)效應(yīng)問(wèn)題研究，為車頭形狀的設(shè)計(jì)和鐵路機(jī)車安全運(yùn)行提供理論和技術(shù)支持。

　　關(guān)鍵詞：復(fù)雜風(fēng)場(chǎng);車頭形狀;高鐵機(jī)車;氣動(dòng)力;影響

　　現(xiàn)在，世界上許多國(guó)家都有高速列車在運(yùn)行，高速列車的最高運(yùn)行速度也從220 km/h 提升到350 km/h，并且向著更高的速度目標(biāo)努力。因此，非常需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究工作了解高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)特性，提高高速列車的氣動(dòng)性能，并開(kāi)發(fā)新一代高速列車系統(tǒng)。

　　一、高速列車空氣動(dòng)力學(xué)與運(yùn)行環(huán)境

　　高速列車空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象與列車速度和運(yùn)行環(huán)境有緊密關(guān)系，隨著列車速度的提高，高速列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題變得更加重要。通常列車空氣動(dòng)力學(xué)與列車的氣動(dòng)阻力、車內(nèi)壓力變化、列車誘導(dǎo)的流動(dòng)、列車交會(huì)、橫風(fēng)效應(yīng)、地面效應(yīng)、隧道效應(yīng)、氣動(dòng)噪聲和振動(dòng)等有關(guān).氣動(dòng)阻力與車體橫截面積、列車長(zhǎng)度、頭車和尾車形狀、車體表面粗糙度以及列車周圍的地理?xiàng)l件等有關(guān)。列車誘導(dǎo)的流動(dòng)能影響站臺(tái)上旅客和鐵路沿線職工的安全，兩車交會(huì)時(shí)產(chǎn)生的壓力變化與乘客的舒適度和安全性有關(guān)，在強(qiáng)橫風(fēng)中運(yùn)行的列車產(chǎn)生的橫風(fēng)效應(yīng)影響列車的運(yùn)行安全性和乘坐舒適性，與列車高度及周長(zhǎng)、周圍環(huán)境如路堤、高架橋、隧道出口等有關(guān)。

　　二、列車行駛與空氣阻力

　　列車正常運(yùn)行時(shí)，行駛阻力一般包括輪軌滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速時(shí)的慣性阻力，在低速運(yùn)行時(shí)，主要部分是輪軌阻力，但隨著列車運(yùn)行速度提高，空氣阻力將增加，當(dāng)列車速度超過(guò)200公里/小時(shí)后，其將成為列車運(yùn)行阻力的主要部分。

　　列車運(yùn)行時(shí)受到的空氣阻力與速度的平方成正比，對(duì)于時(shí)速200公里以上的高速列車，空氣阻力可以占列車行駛阻力的75%以上，設(shè)計(jì)者通常需要利用空氣動(dòng)力學(xué)原理，通過(guò)流線化車頭、車身、車體附屬部分來(lái)盡量減少空氣阻力。

　　空氣阻力由三部分組成：一是列車車頭迎風(fēng)受到的正面壓力，列車尾部由于空氣尾流引起空氣稀薄而產(chǎn)生的向后的拉力，這樣由于頭部及尾部壓力差形成的阻力稱為壓差阻力;二是由于空氣粘性而引起的作用于車體表面的摩擦阻力;三是有車輛轉(zhuǎn)向架、車頂設(shè)備、門窗、車廂間鏈接風(fēng)擋等車輛表面凹凸結(jié)構(gòu)引起的干擾阻力。

　　高速列車車頭設(shè)計(jì)成流線型的主要目的是為了減小壓差阻力。這個(gè)設(shè)計(jì)思想和飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)差不多。然而，流線型也是各種各樣的。到底什么樣的車頭形狀更合適?設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬和模型實(shí)驗(yàn)，測(cè)試車體周圍的氣流、列車表面壓力、氣動(dòng)力等參數(shù)，來(lái)決定最佳的車頭流線型。

　　降低列車運(yùn)行時(shí)的空氣阻力是高速列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)重要的優(yōu)化方向。列車以高速運(yùn)行，原本在中、低速時(shí)沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題往往會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。如壓力波問(wèn)題、氣動(dòng)噪聲問(wèn)題等。如，原本平穩(wěn)運(yùn)行的列車，在對(duì)面列車疾馳而過(guò)時(shí)伴隨著一聲呼嘯發(fā)生了短暫而較強(qiáng)的橫向晃動(dòng)。這種橫向晃動(dòng)就是由列車的交會(huì)壓力波所引起的。列車會(huì)車時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的列車車頭對(duì)空氣形成擠壓，便會(huì)在列車交會(huì)內(nèi)側(cè)的側(cè)壁上產(chǎn)生交替的高壓區(qū)和低壓區(qū)。列車速度越高，會(huì)車產(chǎn)生的壓力波強(qiáng)度也就越大。兩列車相向交會(huì)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的會(huì)車壓力波作用在車體上會(huì)對(duì)列車側(cè)壁和側(cè)窗強(qiáng)度、列車運(yùn)行穩(wěn)定性和旅客乘坐舒適性產(chǎn)生不利影響，甚至可能產(chǎn)生運(yùn)行安全問(wèn)題，如車體側(cè)窗破碎、車輛蛇形運(yùn)動(dòng)、輪緣與道軌因側(cè)向沖擊造成磨損等。

　　我國(guó)鐵路客運(yùn)提速至160公里/小時(shí)，就曾多次發(fā)生會(huì)車引起的列車側(cè)窗玻璃破碎事故。如今，列車的運(yùn)行速度都在200公里/小時(shí)以上甚至是350公里/小時(shí)，會(huì)車壓力波的變化幅值和最大正、負(fù)壓力極值都會(huì)急劇增大，有可能帶來(lái)更大的負(fù)面效應(yīng)。在列車氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方面，加長(zhǎng)列車流線型頭部長(zhǎng)度，采用扁寬型頭型，可以有效減小交會(huì)壓力波幅值。

　　三、不同車頭形狀對(duì)氣動(dòng)力的影響

　　(一)車頭形狀

　　本文共設(shè)置3組不同高寬比和2組長(zhǎng)寬比的車頭進(jìn)行對(duì)比分析，尺寸設(shè)置范圍參考了目前國(guó)內(nèi)已使用的機(jī)車。為了方便比較，所有模型有以下共同點(diǎn)：a、模擬對(duì)象為整個(gè)列車，且列車總長(zhǎng)相同;b、對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分都進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，忽略了車輪、受電弓、轉(zhuǎn)向架等細(xì)節(jié)部分的影響;c、除了車頭形狀不同外，其他部分的結(jié)構(gòu)一樣。

　　(二)不同高寬比

　　氣動(dòng)升力系數(shù)

　　在考察的風(fēng)攻角內(nèi)，頭車氣動(dòng)升力系數(shù)由大到小，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，車頭氣動(dòng)升力系數(shù)隨風(fēng)攻角始終增大，且在90°風(fēng)攻角達(dá)到最大值，分別為1.16、1.26。當(dāng)風(fēng)攻角為75°時(shí)，車頭氣動(dòng)力系數(shù)達(dá)到最大值1.03。中間車、尾車以及整車的氣動(dòng)升力系數(shù)變化規(guī)律和頭車相似。

　　(三)不同長(zhǎng)寬比

　　1.氣動(dòng)升力系數(shù)

　　不同長(zhǎng)寬比的頭車、中間車、尾車以及整車的氣動(dòng)升力系數(shù)對(duì)比，整體而言，不同工況下，頭車、中間車、尾車以及整車的氣動(dòng)升力系數(shù)變化規(guī)律相似。

　　2.側(cè)向氣動(dòng)力系數(shù)

　　所考察風(fēng)攻角范圍內(nèi)，不同長(zhǎng)寬比的頭車、中間車、尾車以及整車的側(cè)向氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)比，車頭長(zhǎng)寬比的改變對(duì)側(cè)向氣動(dòng)力系數(shù)沒(méi)有帶來(lái)明顯的影響。

　　3.傾覆力矩系數(shù)

　　所考察風(fēng)攻角范圍內(nèi)，不同長(zhǎng)寬比的頭車、中間車、尾車以及整車的傾覆力矩系數(shù)對(duì)比，中間車、尾車以及整車的變化趨勢(shì)相近，只是在不同的風(fēng)攻角時(shí)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

　　四、結(jié)語(yǔ)

　　不同車頭形狀對(duì)高鐵機(jī)車氣動(dòng)力的影響分析可以看出，不同類型氣動(dòng)力對(duì)車頭形狀的敏感度不同，任何方案都不能同時(shí)在三個(gè)氣動(dòng)力方面表現(xiàn)最優(yōu)。因此在進(jìn)行列車車頭設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該從平衡動(dòng)力性能和穩(wěn)定性能需求的角度選擇最佳方案。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]楚尊睿.論氣體力學(xué)對(duì)高速列車的影響與發(fā)展前景[J].科技風(fēng)，2019(01)：147.

　　推薦閱讀：《汽車運(yùn)用》主辦： 中國(guó)人民解放軍軍事交通學(xué)院，周期： 月刊，出版地：天津市，語(yǔ)種： 中文;，開(kāi)本： 大16開(kāi)，國(guó)際刊號(hào)：ISSN1002-8374，國(guó)內(nèi)刊號(hào)：CN12-1186/U，郵發(fā)代號(hào)： 6-33，創(chuàng)刊時(shí)間：1980