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，復雜風場下所造成的事故尤其突出。很多國家的列車均有因側風造成的不同程度的造成列車側翻等行車安全事故，造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。高鐵車體在復雜風場條件下的側風效應問題研究，為車頭形狀的設計和鐵路機車安全運行提供理論和技術支持。

　　關鍵詞：復雜風場;車頭形狀;高鐵機車;氣動力;影響

　　現在，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，非常需要進行系統的研究工作了解高速列車的空氣動力學特性，提高高速列車的氣動性能，并開發新一代高速列車系統。

　　一、高速列車空氣動力學與運行環境

　　高速列車空氣動力學現象與列車速度和運行環境有緊密關系，隨著列車速度的提高，高速列車空氣動力學問題變得更加重要。通常列車空氣動力學與列車的氣動阻力、車內壓力變化、列車誘導的流動、列車交會、橫風效應、地面效應、隧道效應、氣動噪聲和振動等有關.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。列車誘導的流動能影響站臺上旅客和鐵路沿線職工的安全，兩車交會時產生的壓力變化與乘客的舒適度和安全性有關，在強橫風中運行的列車產生的橫風效應影響列車的運行安全性和乘坐舒適性，與列車高度及周長、周圍環境如路堤、高架橋、隧道出口等有關。

　　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，設計者通常需要利用空氣動力學原理，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;三是有車輛轉向架、車頂設備、門窗、車廂間鏈接風擋等車輛表面凹凸結構引起的干擾阻力。

　　高速列車車頭設計成流線型的主要目的是為了減小壓差阻力。這個設計思想和飛機的外形設計差不多。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?設計人員會根據空氣動力學原理，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，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計時重要的優化方向。列車以高速運行，原本在中、低速時沒有表現出來的問題往往會顯現出來。如壓力波問題、氣動噪聲問題等。如，原本平穩運行的列車，在對面列車疾馳而過時伴隨著一聲呼嘯發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，便會在列車交會內側的側壁上產生交替的高壓區和低壓區。列車速度越高，會車產生的壓力波強度也就越大。兩列車相向交會運行時產生的會車壓力波作用在車體上會對列車側壁和側窗強度、列車運行穩定性和旅客乘坐舒適性產生不利影響，甚至可能產生運行安全問題，如車體側窗破碎、車輛蛇形運動、輪緣與道軌因側向沖擊造成磨損等。

　　我國鐵路客運提速至160公里/小時，就曾多次發生會車引起的列車側窗玻璃破碎事故。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。在列車氣動外形設計方面，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，尺寸設置范圍參考了目前國內已使用的機車。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、對復雜結構部分都進行了必要的簡化，忽略了車輪、受電弓、轉向架等細節部分的影響;c、除了車頭形狀不同外，其他部分的結構一樣。

　　(二)不同高寬比

　　氣動升力系數

　　在考察的風攻角內，頭車氣動升力系數由大到小，通過實驗發現，車頭氣動升力系數隨風攻角始終增大，且在90°風攻角達到最大值，分別為1.16、1.26。當風攻角為75°時，車頭氣動力系數達到最大值1.03。中間車、尾車以及整車的氣動升力系數變化規律和頭車相似。

　　(三)不同長寬比

　　1.氣動升力系數

　　不同長寬比的頭車、中間車、尾車以及整車的氣動升力系數對比，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變化規律相似。

　　2.側向氣動力系數

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

　　3.傾覆力矩系數

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

　　四、結語

　　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最優。因此在進行列車車頭設計時，應該從平衡動力性能和穩定性能需求的角度選擇最佳方案。

　　參考文獻：

　　[1]楚尊睿.論氣體力學對高速列車的影響與發展前景[J].科技風，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，國內刊號：CN12-1186/U，郵發代號： 6-33，創刊時間：1980