高铁为什么长这样？力学，力学，还是力学！

作者:郭，，杨国伟

导言:

在过去的十年里，中国的高速列车经历了爆炸性的发展。当许多人选择高铁旅行时，他们也有一些疑问，例如，为什么高铁看起来像这样？只是为了好看吗？当然不是，复合er今天会带你去深入分析高铁出现背后的科学。

说到高速列车，给我们印象最深的是它流线型的“子弹”头，这显然不同于前面的方形“绿色皮车”。高速列车采用流线型头部形状，以优化其空气动力性能，减少空气阻力、压力波、噪音等。并提高其运行速度。

上图为中国长春轨道客车有限公司生产的中国标准动车组。下图为20世纪90年代以前生产的“绿皮”列车。

那么，火车运行时有多少空气阻力？有必要如此重视吗？

高速列车的空气阻力

列车正常运行时，运行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。当列车低速运行时，轮轨阻力占主要部分，但随着列车速度的增加，空气阻力也会增加。当列车速度超过200公里/小时时，它将成为列车运行阻力的主要部分。

在我们的日常生活中，我们都有这样的经历:在微风中逆风行走，我们几乎意识不到风阻的存在。然而，如果我们在5级以上的强风中逆风行驶，并且风阻很大，我们就会意识到无法移动意味着什么。

列车在运行过程中遇到的空气阻力与速度的平方成正比。因此，中低速“绿皮”列车运行就像在微风中行走。设计者基本上不需要特别考虑空气阻力的影响。

然而，对于时速超过200公里的高速列车，情况就不同了。空气阻力可占列车运行阻力的75%以上。设计者通常需要利用空气动力学原理，通过简化车头、车身和车身的辅助部件来尽可能减少空气阻力。

空气阻力由三部分组成:第一，由于空气尾流产生的稀薄空气作用在列车前部的正面压力和列车后部的向后拉力，因此由车头和车尾之间的压力差产生的阻力称为压力阻力；第二个是空气粘度对车身表面的摩擦阻力。第三，车辆表面的凹凸结构，如车辆转向架、车顶设备、门窗和车内挡风玻璃，会产生干扰阻力。

高速列车车头流线型设计的主要目的是降低压力阻力。这种设计思想类似于飞机的外形设计。然而，流线也是多种多样的。什么样的车头形状更合适？设计人员将根据空气动力学原理进行计算机模拟和模型实验，以测试车身周围的气流、列车表面压力、空气动力等参数。确定车头的最佳流线。

只要我们稍微注意一下站台上高速列车的车体，就会发现它与普通列车有许多不同之处:车体的侧壁几乎没有凹凸不平的地方，车底的各种装置都被光滑平整的“裙”板覆盖着，车顶的受电弓也有特制的导流板保护着。

所有这些努力主要是为了减少空气引起的摩擦阻力和干扰阻力。

两列高速列车相交时出现问题

降低列车运行过程中的空气阻力是高速列车气动设计中的一个重要优化方向，但不是全部。火车以高速运行，中低速时没有显示的问题经常出现。如压力波问题、气动噪声问题等。

我们在乘坐高速动车组时有过这样的经历:原本平稳运行的列车在对面的列车飞驰而过时，会有短暂而强烈的横向摇晃，伴随着巨大的轰鸣声。

这种横向晃动是由列车的交叉压力波引起的。当列车相遇时，相对运动的列车头部挤压空气，在列车相遇内的侧壁上将产生交替的高压区和低压区。火车速度越高，会议产生的压力波强度就越大。当两列列车以相反的方向交叉时，作用在车体上的迎面而来的压力波将对列车的侧壁和车窗的强度、列车运行的稳定性和乘客的乘坐舒适性产生不利影响，甚至可能引起运行安全问题，例如车体的侧窗破裂、车辆的蛇形运动、由于横向碰撞而造成的轮缘和轨道的磨损等。

当中国铁路客运速度提高到160公里/小时时，由于过往列车造成的列车侧窗玻璃破损事故时有发生。今天，列车速度超过200公里/小时，甚至350公里/小时，迎面而来的压力波的变化幅度和最大正负压力极值将急剧增加，这可能带来更多的负面影响。在列车的气动外形设计中，延长列车流线型头部的长度，采用平宽头型，可以有效减小交叉口压力的幅值。

高速列车在隧道中行驶造成的困难

对于高铁乘客来说，在隧道中行驶时会有很多问题。设计师也是如此。高速列车在隧道中运行是最复杂和最严峻的运行条件。隧道内运行的列车表面压力的幅值远大于开放线路上运行的列车。

当列车进入隧道时，列车前方的空气受到挤压，来不及从隧道入口排出，压力急剧上升，在入口产生压缩波，压缩波以音速传播到隧道出口。当列车尾部进入隧道时，由于没有时间补充隧道内的空气，列车尾部的压力急剧下降，形成膨胀波，该膨胀波将通过车身并以声速传播到隧道出口。

在隧道出口处，部分压缩波和膨胀波将以微压力波的形式向外散射，另一部分相互转换后反射回隧道入口。如果隧道相对较长，隧道中的压力波将反复作用于列车，导致列车的表面压力在短时间内急剧变化。这种剧烈的压力变化测试了火车的气密性。如果列车的气密性差，列车外部的压力波动将被引入列车，导致列车内部压力的突然变化，导致乘客耳鸣并影响乘坐舒适性。

同时，在隧道压力波的影响下，隧道内列车的气动力会不平衡。在我国高速铁路运营过程中，发现在多隧道线路上运行时，列车轮轨间的磨损比在完全开放线路上运行时严重得多。日本也发现火车在隧道里行驶时会摇尾巴。

总的来说，减小列车最大横截面积与隧道横截面积之比(阻塞比)可以有效降低隧道压力波的强度，这也是高速列车一直追求“瘦身”和“瘦身”的原因之一。

高速列车进入隧道后，隧道内的空气受到挤压，形成压力波，压力波以音速向隧道出口方向快速前进。当压力波到达出口时，一部分压力波以脉冲的形式向四周发射，同时产生爆破声。这种波被称为隧道微压波。

微压波主要是能量低于20Hz的次声波，可以传播到400米以外。对于住在隧道附近的居民来说，这是一个令人讨厌的噪音环境。微压力波的大小与到达隧道入口的压力波表面的压力变化成正比，与到出口的距离成反比。压力变化的程度与列车进入隧道的速度的三次方成正比。

一般来说，在短隧道中，微压波与列车进入隧道的速度的立方成正比；在长隧道中，无碴轨道结构的微压波大于有碴轨道结构的微压波。为了解决微气压波问题，在车体设计中应减小车体横截面积，以减小列车横截面积与隧道横截面积的比值(阻塞比)。车头的流线应进行优化设计，以调整车头横截面积的变化率。列车头部截面积呈线性变化，进入隧道时形成的压力梯度较低，可有效降低微气压波。

列车在空气中高速行驶会引起气流湍流，由此产生的空气动力学噪声是影响列车乘坐舒适性的另一个空气动力学问题。

高速列车的空气动力噪声能量与列车速度的8次方成正比。如果列车速度从200公里/小时增加到300公里/小时，空气动力噪声将增加约14分贝。根据空气动力学原理，设计者将流线型车头设计得又尖又长，以尽可能减小车辆的横截面积，同时使车身尽可能平坦光滑，没有凹凸部分。为了降低高速列车的气动噪声，除了车体的设计外，还应降低由车辆顶部的电流接收系统引起的气动噪声。因此，设计者优化了受电弓及其外围设备。安装受电弓导流罩、开发低噪声受电弓和采用低噪声绝缘子可以降低车顶电流接收系统的气动噪声。

中国高速列车自主研发的里程碑——CRH 380 a

CRH380A是中国自主研发高速电动车组的里程碑。CRH380A是完全由中国在CRH2基础上设计的第二代高速动车组。最大运行速度为380公里/小时，连续运行速度为350公里/小时。

我第一次看到CRH380A，我看到的是他们全新的火箭般的头。为了使列车最高运行速度达到380 km/h，并解决提速带来的安全、舒适、节能和环保的影响，如何降低列车运行阻力、抑制运行噪声、降低列车高速相遇时的气压幅度、保证驾驶员的视角、考虑中国文化因素等。通过合理的头部设计，是所有设计师煞费苦心去做的事情。

CRH380A为楔形结构，具有旋转弹丸的特性。它的纵向轮廓是双拱形的，水平轮廓又长又平。与CHR2相比，CRH2的头部长度仅为9.4米，而CRH380A的头部长度为12米，长细比增加了约30%。CRH2的横截面积为11.2平方米，CRH380A的横截面积略小，为11.12平方米。为了减小交叉口压力波，提高列车的横向稳定性，CRH380A增加了车体的侧顶弧度。正是通过这些技术努力，CRH380A头型与CRH2C相比，显著提高了其综合空气动力性能。

虽然高速列车的外观很美，但绝不是纯粹的艺术。在列车优美的线路下，有空气动力支撑，确保列车高速、安全、舒适运行。空气动力学优化的车身结构将具有更好的空气动力学性能、出色的头部形状、更高的强度、更平滑的车身和更好的气密性。

“我不是跑得快，而是飞得低”——CRH 380 a