本文主要是介绍高速列车的空气动力学问题概述，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
1 高速铁路定义
高速铁路目前尚无全球统一的标准，普遍认定标准为新建线路上列车速度可达 250 km/h，或者既有线改造后可达 200 km/h 即可视为高速铁路。由于车辆、轨道、桥隧、调度、安全等多方面原因，当前没有用于货运用途的高速铁路，所有高速铁路均用于客运。
通常高速列车为电力动车组（EMU，electrical multiple unit），其整个列车为不可分割的完整整体，车头和车尾设计相同以方便双向运营。
港铁石岗停车场内的动感号列车（图源：维基百科）
2 首要问题：空气阻力
列车受到的阻力主要包括轮轨之间的滚动摩擦力和空气阻力，速度越高则空气阻力的占比越大。高铁列车整体重达数百吨，其驱动功率为兆瓦级别，且长时间高速行驶，降低空气阻力可显著降低运行能耗。
列车的空气阻力计算公式为：
公式表明，空气阻力随车速的平方增加。列车从 100 km/h 提速至 300 km/h，其承受的空气阻力会增加至 100 km/h 速度下的9倍。
公式中的 CD 和 A 分别为列车的阻力系数和迎风面积，和列车外形直接相关。列车空气动力学设计的主要优化方向为减少阻力系数，迎风面积通常受制于列车的车辆界限、载客容量等因素，难以进行调整。
高速列车减少阻力系数的方法可概括为以下两种基本思路：
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拉长车头，形成流线型造型
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使用导流罩覆盖车顶、车厢间隙等区域
复兴号和和谐号（图源：interestingengineering.com）
新干线N700S列车的车厢间隙覆盖物（图源：japanrailandtravel.com）
新干线N700S列车，车顶光滑平整（图源：raillab.jp）
列车空气动力学研究包括CFD仿真和风洞实验两种方法。其中风洞实验由于场地限制等因素，主要基于缩比模型。
列车风洞实验和CFD仿真模型（图源：
《Impact of Different Nose Lengths on Flow-Field Structure around a High-Speed Train》，《Applied Sciences》期刊
）
3 其他空气动力学问题
侧风
侧风（crosswind）的存在相当于给列车加上了偏航角（yaw angle），会显著恶化列车的气动性能，增加行驶能耗。
侧风环境中的列车偏航角示意图（图源：《Crosswind Stability Evaluation of High-Speed Train Using Different Wind Models》，《Chinese Journal of Mechanical Engineering》期刊）
过大的侧风会导致列车行驶不稳定乃至翻车。出于安全考虑，通常大风天气下列车会减速行驶甚至停车。
侧风环境列车受力分析（图源：《
On the applicability of trapped vortices to ground vehicles
》，《International Vehicle Aerodynamics Conference 2014》）
侧风环境中的列车CFD仿真（图源：blog.3ds.com）
隧道
通常的列车空气动力学问题均指开放环境，即列车行驶在地面，周围无遮挡物。隧道会限制气体流动，列车的气动性能和开放环境中会存在差别。通常而言，隧道内列车受到更大的空气阻力，且存在更大的侧向力脉动。
CFD仿真的开放环境（左）和隧道中（右）空气压力分布对比（图源：《
Numerical simulation of the Reynolds number effect on the aerodynamic pressure in tunnels》，《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》期刊）
列车在进出隧道时，在隧道内形成压力波。压力波的存在会引发车内人员不适、车辆与隧道结构的额外载荷、隧道出口区域噪声等问题。
隧道内压力波的产生与传播（图源：《Aerodynamics of railway train/tunnel system: A review of recent research》，《Energy and Built Environment》期刊）
压力波的影响因素较多，大量研究认为，和列车相关的主要因素为车头形状、列车长度、车速、列车气密性，和隧道相关的主要因素为隧道长度、隧道横截面积、轨道布置方式（单轨隧道或多轨隧道）、通风井布置。
列车驶出隧道时气流CFD仿真（图源：《Aerodynamic of the Trains in Tunnels 》，University of Birmingham毕业论文）
整体而言，压力波相关的问题会因为隧道横截面积加大，阻塞比降低而缓解。但是很显然，隧道横截面积加大会急剧增加项目成本与工程难度，只能从列车和隧道附属结构上着手。
隧道压力波引发车内人员不适的问题主要通过加强列车的气密性来缓解。隧道出口的压力波噪声问题可通过在隧道入口区域设置防护罩（hood），以类似于消音器的多孔介质结构消减压力波。
英国HS2高速铁路项目的Greatworth隧道渲染图（图源：newcivilengineer.com）
桥梁
桥梁占据了高速铁路较大比例，用于跨越水域、山地、既有铁路线等各类障碍。
列车在泉州湾跨海大桥上行驶（图源：cgtn.com）
湖泊、平原等平坦且周围无遮挡的区域通常侧风较强，列车高速行驶会引发桥梁结构的大幅振动。桥梁自身的结构与设施，如支撑桁架、桥墩、护栏等也会形成额外的气动激励。在桥梁设计前期，就需要通过仿真分析确定合适的桥梁设计方案与行车速度，保证行车安全。
列车经过桥梁的CFD仿真（图源：《The effect of moving train on the aerodynamic performances of train-bridge system with a crosswind》，《Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics 》期刊）
周围车辆、设备、人员
错车包括两车相对行驶、超越同向慢车、超越静止列车等场景。错车时，列车会承受侧向脉冲气动载荷，使车辆倾斜并对车门、车窗等结构施加额外载荷。当前各国均有国家标准规定轨道最小间距以保证错车的安全性。
类似错车，列车经过时也会对接触网、轨旁设备、站台、护栏等静止物体及轨道附近的各类人员施加脉冲气动载荷。
列车对车站结构的气动载荷实验（图源：《On the aerodynamic loads when a high speed train passes under an overhead bridge》，《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》期刊）
脉冲气动载荷峰值大小和作用时间由列车车速、列车形状、设备形状、相对距离等多种因素共同决定。整体而言，距离列车越远则受到的气动载荷越小。出于安全性考虑，各类设备需要和轨道保持一定距离。
气动噪声
列车直接相关的气动噪声主要来源为受电弓、转向架、车厢间隙等非流线型部分，其中以受电弓贡献最大。
高速行驶的列车外部噪声分布（图源：《Sound Source Localisation for a High-Speed Train and Its Transfer Path to Interior Noise》，《Chinese Journal of Mechanical Engineering》期刊）
列车内部噪声消除方法主要是通过合理的列车NVH特性设计，使外部噪声尽可能少的传递到车内。列车外部噪声无法直接消除，只能利用隔音屏较少对周围居民区的干扰。
日本新干线的隔音屏（图源：commons.wikimedia.org）
4 总结
高速列车涉及到的气动问题较多，有部分属于行业专有问题。其主要特点为：
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隧道、桥梁等非开放环境占据较大比例
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侧风需要作为重要影响因素
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需要考虑列车对周围设备、建筑的影响
这篇关于高速列车的空气动力学问题概述的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
