百變列車風

火車運行時，車頭擠壓前方空氣，使之往各方向逃逸，形成列車風。空氣有粘性，列車風與列車發(fā)生相對運動時，二者之間就發(fā)生相互作用，產(chǎn)生系列空氣動力學問題。

首先，以一定壓力和流速變化形式表現(xiàn)出來的列車風，作用在路邊人員可能危害站臺上的乘客和沿線作業(yè)人員的人身安全，甚至卷起路邊或站臺上的貨物危及列車運行安全。為了確保沿線人員及鐵路運營安全，要合理設置列車通過時的安全退避距離。目前，國際上用來確定人員安全退避距離的標準有風速標準和氣動力兩種指標。我國對站臺上人體允許承受的最大空氣動力為 100N，對線路作業(yè)的人體最大允許承受的空氣動力為 130N；站臺旅客和線路作業(yè)人員允許承受的列車風風速的建議值為 14m/s。因此，為安全起見，在火車停靠的站臺上要畫白色的安全線，在高速列車通過的站臺上離列車(1.9~3)m 處設置安全柵欄。在此也提醒各位讀者，在站臺候車期間，一定要在安全線以外的區(qū)域候車，以免發(fā)生意外！**

（火車站臺安全線）

其次，氣流在繞列車流動時，列車周圍的附面層沿厚度方向位置不同，氣流流速也迅速變化，而各不同速度層之間將產(chǎn)生切向力，這種沿列車運行反方向形成的切向力合力稱為空氣摩擦阻力；同時，由于粘性的存在，列車風在流動過程中會有壓力損失，導致列車車輛前后表面空氣壓力有顯著的差異，這些壓力差沿列車運行反方向的合力，稱為空氣壓差阻力。列車空氣壓差阻力和空氣摩擦阻力之和，稱為列車氣動阻力。研究表明，列車氣動阻力與列車速度的平方成正比。因此，隨著運行速度的提高，氣動阻力在總阻力中的比重也會越來越大。當列車以 200km/h 速度行駛時，空氣阻力占總阻力的 70%左右，和諧號 CRH380A在京滬高鐵跑出時速 486.1 公里時，氣動阻力超過了總阻力的92%。

（新干線 100 高速列車運行阻力與速度關系）

另外，列車風流動過程中由于氣流形態(tài)或壓力變化直接產(chǎn)生的、在統(tǒng)計上是無規(guī)則的聲音，稱為氣動噪聲。研究表明，氣動噪聲強度與列車運行速度的 6~8 次方成正比。在速度大于350km/h 的情況下，空氣動力學噪聲超越機械噪聲，成為列車的主要噪聲來源。噪聲傳遞到車內(nèi)，使乘客的感覺舒適性大大降低；傳遞到車外，使鐵路沿線兩側(cè)的居民深受其害。對于高速列車，氣動噪聲問題已成為工程界和科學界共同關注的一個熱點，這個關鍵問題的解決直接關系到高速軌道交通的實用性和可持續(xù)發(fā)展。

上面的描述可能有點抽象，下面結(jié)合大家坐火車的實際體驗進一步介紹列車空氣動力學問題。

坐火車時，當鄰線有車從對面駛過的時往往會有車體被排開的感覺，并伴有呼嘯聲，為什么呢？這是因為當火車交會時，由于相對速度急劇增加，兩車之間的氣流受到擠壓發(fā)生強烈運動，在列車表面產(chǎn)生很強的壓力脈沖，對列車安全運行、旅客乘坐舒適性以及周圍環(huán)境將產(chǎn)生不良影響，如使車廂產(chǎn)生過大的變形并伴有爆破聲，擊碎車窗玻璃，橫向振動加劇等。在 1998 年 6 月的進行的一次提速實驗中，時速 160 公里的試驗列車與K316 次列車(115km/h)相遇，強大的交會壓力波吸走K316 列車的一塊玻璃，打碎了兩塊，碎玻璃又連續(xù)打在試驗列車上導致列車一定程度的損傷。因此，我國已將檢驗列車交會空氣壓力波作為列車運行安全評估的重要內(nèi)容之一。

（列車交會壓力脈沖**(U=260km/h，V=210km/h)**

（標準動車組高速交會）

當我們乘坐的火車在隧道行駛時，耳朵有時會有不適的感覺，這又是為什么呢？列車駛?cè)胨淼罆r，車頭對周圍空氣擠壓所形成的活塞效應，在前方形成一個壓縮波，此壓縮波到達隧道出口時，大部分溢出形成微氣壓波，少部分反射回來為膨脹波；當列車尾部也進入隧道時，產(chǎn)生一個膨脹波，并在出口反射一個壓縮波。這一系列的壓縮波和膨脹波，以接近聲音的速度沿隧道傳播與交匯，當列車速度達到一定值后便會引起一系列的氣動問題：隧道內(nèi)的壓力變化，會引起車體結(jié)構(gòu)疲勞，且如果車輛密封不好，會造成車內(nèi)空氣壓力急劇變化而導致乘客耳朵不適；隧道出口處的微氣壓波，會引起車輛本身與周圍物體的震動，造成對周圍環(huán)境不良的影響等等。武廣客運專線開通初期，某 CRH 型列車過隧道時，車體側(cè)壁產(chǎn)生較大的彈性變形并伴有爆破聲，嚴重地影響了旅客乘坐舒適性和列車運行安全。因此，列車過隧道所產(chǎn)生的壓力波是高速鐵路設計中必須解決的關鍵技術問題之一。

（列車過隧道壓力波示意圖）

日本是最早開行高速列車的國家，正是因為列車交會和隧道空氣動力學等問題的制約，其商業(yè)運營速度至今都未超過 330km/h。

2007 年 2 月 28 日凌晨，從烏魯木齊駛往阿克蘇的 5806 次旅客列車行至南疆線珍珠泉至紅山渠間 42 公里＋300 米處時，因大風造成車輛脫軌，11 節(jié)車廂在大風中傾覆，全部翻倒在風口的山坡上。事故造成 4 名旅客死亡，南疆線中斷行車九個小時。

（列車被風吹翻事故）

上述事故是如何發(fā)生的呢？這是因為在橫風作用下，列車空氣動力學性能惡化，不僅列車運行阻力、升力和橫向力迅速增加，還影響列車的橫向穩(wěn)定性。橫風環(huán)境下，空氣發(fā)生繞流，由于粘性存在，氣流在列車不同表面所產(chǎn)生的壓力也不同，壓力差會產(chǎn)生一個傾覆力矩M，當風力達到一定的程度時，列車便會在該力矩的作用下發(fā)生傾覆。

（橫風環(huán)境下列車受力示意圖）

從建國至今，我國已發(fā)生多起火車被大風吹翻事故，造成了嚴重的人員傷害和經(jīng)濟損失。為了避免類似事故的發(fā)生，降低環(huán)境對鐵路運輸?shù)挠绊?，我國已在青藏、新疆以及部分沿海鐵路建立了大風預警系統(tǒng)，制定了《大風天氣列車安全運行辦法》。該系統(tǒng)可以對鐵路沿線風速進行時事地在線檢測和預報，根據(jù)不同風速等級對進入風區(qū)的列車采取限速或停輪避風等技術措施，從而最大限度地保證列車的運營安全。

（新疆鐵路大風自動檢測站）

列車在運行過程中除了上述外流場問題，還有空調(diào)進氣、客室內(nèi)溫度分布等內(nèi)流場問題，篇幅所限不再贅述。

隨著運行速度的不斷提高，列車空氣動力學問題也變得更加嚴峻。由于列車的龐大、細長和近地運行，與汽車和航空飛行器相比，其空氣動力學問題具有特殊性。鑒于對高速鐵路建設與運營的重要性及特殊性，高速列車空氣動力學問題得到世界各國的高度重視。自 20 世紀 50 年代以來，各國在發(fā)展高速鐵路的過程中，都將空氣動力學問題作為重點攻關課題進行了大量的研究。通過研究，探究列車空氣動力學問題形成機理，分析各參數(shù)對列車空氣動力學性能的影響規(guī)律，為列車與沿線建筑物設計提供理論依據(jù)和支撐。

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