复杂风场下车头形状对高铁机车气动力的影响

　　摘要：高速列车，不仅加强了列车与空气之间的相互作用，同时也给列车的安全运行带来影响，复杂风场下所造成的事故尤其突出。很多国家的列车均有因侧风造成的不同程度的造成列车侧翻等行车安全事故，造成严重的经济损失和人员伤亡。高铁车体在复杂风场条件下的侧风效应问题研究，为车头形状的设计和铁路机车安全运行提供理论和技术支持。

　　关键词：复杂风场;车头形状;高铁机车;气动力;影响

　　现在，世界上许多国家都有高速列车在运行，高速列车的最高运行速度也从220 km/h 提升到350 km/h，并且向着更高的速度目标努力。因此，非常需要进行系统的研究工作了解高速列车的空气动力学特性，提高高速列车的气动性能，并开发新一代高速列车系统。

　　一、高速列车空气动力学与运行环境

　　高速列车空气动力学现象与列车速度和运行环境有紧密关系，随着列车速度的提高，高速列车空气动力学问题变得更加重要。通常列车空气动力学与列车的气动阻力、车内压力变化、列车诱导的流动、列车交会、横风效应、地面效应、隧道效应、气动噪声和振动等有关.气动阻力与车体横截面积、列车长度、头车和尾车形状、车体表面粗糙度以及列车周围的地理条件等有关。列车诱导的流动能影响站台上旅客和铁路沿线职工的安全，两车交会时产生的压力变化与乘客的舒适度和安全性有关，在强横风中运行的列车产生的横风效应影响列车的运行安全性和乘坐舒适性，与列车高度及周长、周围环境如路堤、高架桥、隧道出口等有关。

　　二、列车行驶与空气阻力

　　列车正常运行时，行驶阻力一般包括轮轨滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速时的惯性阻力，在低速运行时，主要部分是轮轨阻力，但随着列车运行速度提高，空气阻力将增加，当列车速度超过200公里/小时后，其将成为列车运行阻力的主要部分。

　　列车运行时受到的空气阻力与速度的平方成正比，对于时速200公里以上的高速列车，空气阻力可以占列车行驶阻力的75%以上，设计者通常需要利用空气动力学原理，通过流线化车头、车身、车体附属部分来尽量减少空气阻力。

　　空气阻力由三部分组成：一是列车车头迎风受到的正面压力，列车尾部由于空气尾流引起空气稀薄而产生的向后的拉力，这样由于头部及尾部压力差形成的阻力称为压差阻力;二是由于空气粘性而引起的作用于车体表面的摩擦阻力;三是有车辆转向架、车顶设备、门窗、车厢间链接风挡等车辆表面凹凸结构引起的干扰阻力。

　　高速列车车头设计成流线型的主要目的是为了减小压差阻力。这个设计思想和飞机的外形设计差不多。然而，流线型也是各种各样的。到底什么样的车头形状更合适?设计人员会根据空气动力学原理，进行计算机仿真模拟和模型实验，测试车体周围的气流、列车表面压力、气动力等参数，来决定最佳的车头流线型。

　　降低列车运行时的空气阻力是高速列车气动设计时重要的优化方向。列车以高速运行，原本在中、低速时没有表现出来的问题往往会显现出来。如压力波问题、气动噪声问题等。如，原本平稳运行的列车，在对面列车疾驰而过时伴随着一声呼啸发生了短暂而较强的横向晃动。这种横向晃动就是由列车的交会压力波所引起的。列车会车时，相对运动的列车车头对空气形成挤压，便会在列车交会内侧的侧壁上产生交替的高压区和低压区。列车速度越高，会车产生的压力波强度也就越大。两列车相向交会运行时产生的會车压力波作用在车体上会对列车侧壁和侧窗强度、列车运行稳定性和旅客乘坐舒适性产生不利影响，甚至可能产生运行安全问题，如车体侧窗破碎、车辆蛇形运动、轮缘与道轨因侧向冲击造成磨损等。

　　我国铁路客运提速至160公里/小时，就曾多次发生会车引起的列车侧窗玻璃破碎事故。如今，列车的运行速度都在200公里/小时以上甚至是350公里/小时，会车压力波的变化幅值和最大正、负压力极值都会急剧增大，有可能带来更大的负面效应。在列车气动外形设计方面，加长列车流线型头部长度，采用扁宽型头型，可以有效减小交会压力波幅值。

　　三、不同车头形状对气动力的影响

　　(一)车头形状

　　本文共设置3组不同高宽比和2组长宽比的车头进行对比分析，尺寸设置范围参考了目前国内已使用的机车。为了方便比较，所有模型有以下共同点：a、模拟对象为整个列车，且列车总长相同;b、对复杂结构部分都进行了必要的简化，忽略了车轮、受电弓、转向架等细节部分的影响;c、除了车头形状不同外，其他部分的结构一样。

　　(二)不同高宽比

　　气动升力系数

　　在考察的风攻角内，头车气动升力系数由大到小，通过实验发现，车头气动升力系数随风攻角始终增大，且在90°风攻角达到最大值，分别为1.16、1.26。当风攻角为75°时，车头气动力系数达到最大值1.03。中间车、尾车以及整车的气动升力系数变化规律和头车相似。

　　(三)不同长宽比

　　1.气动升力系数

　　不同长宽比的头车、中间车、尾车以及整车的气动升力系数对比，整体而言，不同工况下，头车、中间车、尾车以及整车的气动升力系数变化规律相似。

　　2.侧向气动力系数

　　所考察风攻角范围内，不同长宽比的头车、中间车、尾车以及整车的侧向气动力系数对比，车头长宽比的改变对侧向气动力系数没有带来明显的影响。

　　3.倾覆力矩系数

　　所考察风攻角范围内，不同长宽比的头车、中间车、尾车以及整车的倾覆力矩系数对比，中间车、尾车以及整车的变化趋势相近，只是在不同的风攻角时出现反转。

　　四、结语

　　不同车头形状对高铁机车气动力的影响分析可以看出，不同类型气动力对车头形状的敏感度不同，任何方案都不能同时在三个气动力方面表现最优。因此在进行列车车头设计时，应该从平衡动力性能和稳定性能需求的角度选择最佳方案。

　　参考文献：

　　[1]楚尊睿.论气体力学对高速列车的影响与发展前景[J].科技风，2019(01)：147.

　　推荐阅读：《汽车运用》主办： 中国人民解放军军事交通学院，周期： 月刊，出版地：天津市，语种： 中文;，开本： 大16开，国际刊号：ISSN1002-8374，国内刊号：CN12-1186/U，邮发代号： 6-33，创刊时间：1980

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