摘要：高速列車，不僅加強了列車與空氣之間的相互作用，同時也給列車的安全運行帶來影響，復(fù)雜風(fēng)場下所造成的事故尤其突出。很多國家的列車均有因側(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，造成嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡。高鐵車體在復(fù)雜風(fēng)場條件下的側(cè)風(fēng)效應(yīng)問題研究，為車頭形狀的設(shè)計和鐵路機車安全運行提供理論和技術(shù)支持。

　　關(guān)鍵詞：復(fù)雜風(fēng)場;車頭形狀;高鐵機車;氣動力;影響

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

　　一、高速列車空氣動力學(xué)與運行環(huán)境

　　高速列車空氣動力學(xué)現(xiàn)象與列車速度和運行環(huán)境有緊密關(guān)系，隨著列車速度的提高，高速列車空氣動力學(xué)問題變得更加重要。通常列車空氣動力學(xué)與列車的氣動阻力、車內(nèi)壓力變化、列車誘導(dǎo)的流動、列車交會、橫風(fēng)效應(yīng)、地面效應(yīng)、隧道效應(yīng)、氣動噪聲和振動等有關(guān).氣動阻力與車體橫截面積、列車長度、頭車和尾車形狀、車體表面粗糙度以及列車周圍的地理條件等有關(guān)。列車誘導(dǎo)的流動能影響站臺上旅客和鐵路沿線職工的安全，兩車交會時產(chǎn)生的壓力變化與乘客的舒適度和安全性有關(guān)，在強橫風(fēng)中運行的列車產(chǎn)生的橫風(fēng)效應(yīng)影響列車的運行安全性和乘坐舒適性，與列車高度及周長、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

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

　　列車運行時受到的空氣阻力與速度的平方成正比，對于時速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)計者通常需要利用空氣動力學(xué)原理，通過流線化車頭、車身、車體附屬部分來盡量減少空氣阻力。

　　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)計成流線型的主要目的是為了減小壓差阻力。這個設(shè)計思想和飛機的外形設(shè)計差不多。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)計人員會根據(jù)空氣動力學(xué)原理，進行計算機仿真模擬和模型實驗，測試車體周圍的氣流、列車表面壓力、氣動力等參數(shù)，來決定最佳的車頭流線型。

　　降低列車運行時的空氣阻力是高速列車氣動設(shè)計時重要的優(yōu)化方向。列車以高速運行，原本在中、低速時沒有表現(xiàn)出來的問題往往會顯現(xiàn)出來。如壓力波問題、氣動噪聲問題等。如，原本平穩(wěn)運行的列車，在對面列車疾馳而過時伴隨著一聲呼嘯發(fā)生了短暫而較強的橫向晃動。這種橫向晃動就是由列車的交會壓力波所引起的。列車會車時，相對運動的列車車頭對空氣形成擠壓，便會在列車交會內(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，會車產(chǎn)生的壓力波強度也就越大。兩列車相向交會運行時產(chǎn)生的會車壓力波作用在車體上會對列車側(cè)壁和側(cè)窗強度、列車運行穩(wěn)定性和旅客乘坐舒適性產(chǎn)生不利影響，甚至可能產(chǎn)生運行安全問題，如車體側(cè)窗破碎、車輛蛇形運動、輪緣與道軌因側(cè)向沖擊造成磨損等。

　　我國鐵路客運提速至160公里/小時，就曾多次發(fā)生會車引起的列車側(cè)窗玻璃破碎事故。如今，列車的運行速度都在200公里/小時以上甚至是350公里/小時，會車壓力波的變化幅值和最大正、負壓力極值都會急劇增大，有可能帶來更大的負面效應(yīng)。在列車氣動外形設(shè)計方面，加長列車流線型頭部長度，采用扁寬型頭型，可以有效減小交會壓力波幅值。

　　三、不同車頭形狀對氣動力的影響

　　(一)車頭形狀

　　本文共設(shè)置3組不同高寬比和2組長寬比的車頭進行對比分析，尺寸設(shè)置范圍參考了目前國內(nèi)已使用的機車。為了方便比較，所有模型有以下共同點：a、模擬對象為整個列車，且列車總長相同;b、對復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分都進行了必要的簡化，忽略了車輪、受電弓、轉(zhuǎn)向架等細節(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

　　氣動升力系數(shù)

　　在考察的風(fēng)攻角內(nèi)，頭車氣動升力系數(shù)由大到小，通過實驗發(fā)現(xiàn)，車頭氣動升力系數(shù)隨風(fēng)攻角始終增大，且在90°風(fēng)攻角達到最大值，分別為1.16、1.26。當風(fēng)攻角為75°時，車頭氣動力系數(shù)達到最大值1.03。中間車、尾車以及整車的氣動升力系數(shù)變化規(guī)律和頭車相似。

　　(三)不同長寬比

　　1.氣動升力系數(shù)

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

　　2.側(cè)向氣動力系數(shù)

　　所考察風(fēng)攻角范圍內(nèi)，不同長寬比的頭車、中間車、尾車以及整車的側(cè)向氣動力系數(shù)對比，車頭長寬比的改變對側(cè)向氣動力系數(shù)沒有帶來明顯的影響。

　　3.傾覆力矩系數(shù)

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

　　四、結(jié)語

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

　　參考文獻：

　　[1]楚尊睿.論氣體力學(xué)對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：《汽車運用》主辦： 中國人民解放軍軍事交通學(xué)院，周期： 月刊，出版地：天津市，語種： 中文;，開本： 大16開，國際刊號：ISSN1002-8374，國內(nèi)刊號：CN12-1186/U，郵發(fā)代號： 6-33，創(chuàng)刊時間：1980