初探高铁列车风的空间分布

河北省石家庄市二中高三14班 杨翘楚

假期旅游，我在高铁车站站台短暂候车，邻近车道恰好有列车通过，我感觉有股风从站台上刮过。我不禁感叹，列车经过竟会产生这么大的风！列车离我所在的站台还有一定的距离，我都能明显感觉有风刮过，如果我和列车的距离更近一点的话，风是否会更大呢？同时我想，这风是否会对铁路设施以及养护人员的安全构成威胁呢？

带着这些问题，我查阅了相关资料并得知，原来这种现象叫“列车风”。由于空气具有黏性，当列车高速行驶时，紧贴列车表面的空气粘附于列车表面随列车一起运动，而接近车体表面的空气层受内层空气的黏性摩擦作用，也以一定的速度随车而流，其流速随该空气层距车体表面距离的增加而降低。当该距离增加到一定值时，空气不再受列车运行的影响，我们把受到列车运行影响的空气层称为边界层。边界层内的空气随列车一起向前流动，这股空气流被称为“列车风”。

我国目前的高铁运营时速已达350 千米，高铁列车在这样的速度下，会产生多大的列车风呢？而列车风在列车经过的空间内又是如何分布呢？为弄明白这一系列的问题，我来到了石家庄铁道大学，向相关领域的老师请教。通过老师的讲解和进一步查阅资料，我对列车风有了更加深入的了解。

原来列车风不仅与列车速度和距车体表面的距离有关系，还与列车所处的空间、车头形状等因素有很大关系，比如列车经过隧道、车站雨棚等空间时产生的列车风与它在开放空间产生的列车风有很大区别；同样的空间下，不同车头产生的列车风也有很大差别。目前关于高速列车风的研究以试验和计算机模拟为主要手段，这些都需要深厚的专业背景。对于我这样的高中生来讲，是否有其他手段来了解列车风在空间的分布呢？老师建议我从现行的规范或技术资料入手。

经过查找技术资料，发现我国在2014年发布的《高速铁路设计规范》（以下简称《规范》）中有关于列车风的规定。规范中7.2.23对列车引起的气动力计算做了如下规定：

1.列车引起的气动压力和气动吸力应由一个5m长的移动面荷载+q及一个5m长的移动面荷载-q组成。

2.气动力应分为水平气动力qh和垂直气动力qv。水平气动力作用在轨顶之上的最大高度为5m。水平气动力qh可由规范中7.2.23的曲线查取。垂直气动力qv按下式计算：

qh——水平气动力（kN/m2）；

D——作用线至线路中心距离(m)。

根据《规范》，我们可以得出以下结论：

1.车头经过时，由于车头对空气的挤压，空气压力会陡然升高，形成空气压力；车头过后，由于空气伴随车体的运动和拖拽，该处空气压力会降低到负值，形成空气吸力。

2.《规范》为了方便计算，保守起见，将气动力简化为一个5m 长的移动面荷载+q及一个5m长的移动面荷载-q。

3.面荷载大小与车速和作用线至线路中心距离有关；在同样车速情况下，荷载随作用线至线路中心距离增大而非线性减小；在相同作用线至线路中心距离处，荷载随车速增大而增大。

4.《规范》在轨顶之上5m 范围内适用。

5.《规范》没有考虑列车形状对气动力的影响。

6.《规范》考虑了列车通过空间对气动力的影响，列车通过有顶盖的空间时，考虑顶盖的阻挡，气动力强度增大到露天情况的1.5倍。

将气动力强度公式计算范围进行拓展，考虑水平气动力与列车侧面的垂直关系，将水平气动力强度等效为标准风压。为了更加直观了解风力等级，将风压转换为风速，如式(2)所示。

式中：qh为风压；g为重力加速度，本文取9.8m/s；ρ为空气密度，本文取为0.012018 kN/m3；v为风速，将以上参数代入可得

CRH380 动车组的外形尺寸，车体宽3.4m，车体高3.7m，以该轮廓基础，计算列车周围空间各点的风速，然后依据风速等高线绘制风速分布，如图1～图7所示。

图1 车速350km/h

图2 车速300km/h

图3 车速250km/h

图4 车速220km/h

图5 车速200km/h

图6 车速180km/h

图7 车速160km/h

从图中可以看出，列车以车速350km/h 通过时，距离线路中心线2m 处（距列车轮廓0.3m）的风速可达51m/s，对应于Beaufort 风力等级表中的风力等级为16级；而距离线路中心线6m处（距列车轮廓4.3m）的风速可达21m/s，风力表中对应为9 级；可见以350km/h 运行的列车产生的列车风是相当大的。所以该车速运行列车时应重点考虑列车风对设施及养护人员安全的影响。

列车风是一种复杂的流体湍流现象，与列车外形、所处空间环境、车速等因素密切相关。本研究仅是在现有规范的基础上，采用规范中的数据，将列车风进行了空间上的简单推演，实际情况的列车风会与本研究结果有出入。