高速列车明线气动阻力特性研究综述

段修平

摘 要：良好的阻力特性是高速列车降低能耗的重要标志。利用动模型试验、实车试验和数值计算等不同的研究手段，开展全面的高速列车气动阻力的研究显得十分重要。本文系统地介绍了国内外学者通过动模型试验、实车试验和数值计算等方法对高速列车明线工况下气动阻力特性的研究进展和结论，对未来研究高速列车明线气动阻力的发展方向和内容进行了展望。

关键词：高速列车；气动阻力；明线单车；明线会车

随着列车运行速度的提高，列车的空气动力学问题变得越来越显著，严重影响列车运行安全性和乘坐舒适性[1]。列车速度的提高不可避免的带来气动阻力的增加，使气动阻力在列车总阻力中所占的比重越来越大，导致列车的能耗不断增加[2]。因此，减少列车运行时的气动阻力是降低能耗，提高列车运行经济性问题的关键。

1 明线单车运行工况

图1表示了单列车在明线上运行时的压力分布图。单列车明线稳定运行时，鼻尖处空气被压缩形成滞止区；气流沿车长方向上会形成流动边界层，其厚度在接近车体尾部时达到最大；单列车以不同速度运行时，其空气阻力在车身不同位置的分布特征一致，数值略有不同。

对于传统的列车，当车速到达120km/h时，气动阻力占到了总阻力的40%左右。对于更高速度的列车，拥有良好外部流线型的列车能大大降低运行时所受的气动阻力。对于头部长度稍大于5m的流线型动车组，当车速达到300km/h时，列车运行时所受的气动阻力可占到总阻力的85%以上；对于头部长度在10m左右的流线型的高速动车组，当车速达到300km/h时，列车运行时所受的气动阻力也占总阻力的75%以上[3]。

国内学者姚栓宝等运用数值仿真的方法对8编组的CRH3型动车组在明线、无侧风、车速为350km/h的运行条件下的气动阻力分布特性进行了研究。研究表明：列车压差阻力和气动摩擦阻力分别占列车总气动阻力的75.3%和24.7%。头车和尾车气动阻力分别占列车总气动阻力的16.1%和15.4%；转向架区域所受气动阻力各占列车总气动阻力的27.4%；风挡区域所受气动阻力占列车总气动阻力的19.1%；受电弓系统所受气动阻力占列车总气动阻力的12.0%[4]。因此，减小列车气动阻力在列车总阻力的占比，减小列车压差阻力是重点。此外，头车和尾车的优化设计在降低列车运行气动阻力中也显得尤为重要。

2 明线会车运行工况

图2表示了列车在明线上交会时的压力分布图。列车明线交会过程中，头头交会时刻车头受到极大的瞬间压力，车尾与车头交会时车尾出现极大的瞬间负压；头尾交会时刻车头受到更大的瞬间压力，车头与车尾交会时车头出现压力值更大的瞬间负压。列车明线交会过程中，头头交会时刻不同速度下空气阻力在车身不同位置的分布特征一致，数值略有不同。

列车在明线上交会时要明显区别于单车明显稳定运行，交会压力波作用在会车内侧表面，形成巨大冲击压力[5]。列车交会过程中，头头交会时刻车头受到極大的瞬间压力；车尾与车头交会时，车尾出现极大的瞬间负压，车身侧墙交会侧受到的压力波动最大；头尾交会时刻，车头受到更大的瞬间压力；车头与车尾交会时，车头出现压力值更大的瞬间负压，车身侧墙交会侧受到的压力波动最大。在两列高速动车组交会过程中，由于列车头尾部产生的压力瞬变使列车头尾压差瞬间增大或减小，引起列车气动阻力的瞬间增大或减小。

3 结论

本文简要的介绍了国内高速列车明线气动阻力的特性和研究技术进展。随着我国高速铁路恢复350时速，以及时速4000公里高铁进入研发，在未来必将涉及更高速度列车气动阻力的相关问题，降低气动阻力在高速列车总阻力中的占比是高速列车空气动力学研究的关键技术。期望通过国内科研院所和广大列车空气动力学研究者的努力，为我国高速列车的发展提供高水平的气动研究服务。

参考文献

[1]SCHWANITZ S， WITTKOWSKI M， ROLNY V， etal.Pressure variations on a train： where is the threshold to railway passenger discomfort[J]. Applied Ergonomics， 2013， 44（2） ： 200-209.

[2]张业，孙振旭，郭迪龙，杨国伟，尚克明.风挡缝宽对高速列车气动性能的影响[J].铁道学报，2017，39（3）：19-24.

[3]田红旗.列车空气动力学[M].北京：中国铁道出版社，2007：160-161.

[4]姚栓宝，郭迪龙，杨国伟，李明高.高速列车气动阻力分布特性研究[J].铁道学报，2012，34（7）：18-23.

[5]田红旗，姚松，姚曙光.列车交会压力波对车体和侧窗的影响[J].中国铁道科学，2000，21（4）：8-14.