百變列車(chē)風(fēng)

火車(chē)運(yùn)行時(shí)，車(chē)頭擠壓前方空氣，使之往各方向逃逸，形成列車(chē)風(fēng)。空氣有粘性，列車(chē)風(fēng)與列車(chē)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，二者之間就發(fā)生相互作用，產(chǎn)生系列空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

首先，以一定壓力和流速變化形式表現(xiàn)出來(lái)的列車(chē)風(fēng)，作用在路邊人員可能危害站臺(tái)上的乘客和沿線(xiàn)作業(yè)人員的人身安全，甚至卷起路邊或站臺(tái)上的貨物危及列車(chē)運(yùn)行安全。為了確保沿線(xiàn)人員及鐵路運(yùn)營(yíng)安全，要合理設(shè)置列車(chē)通過(guò)時(shí)的安全退避距離。目前，國(guó)際上用來(lái)確定人員安全退避距離的標(biāo)準(zhǔn)有風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)和氣動(dòng)力兩種指標(biāo)。我國(guó)對(duì)站臺(tái)上人體允許承受的最大空氣動(dòng)力為 100N，對(duì)線(xiàn)路作業(yè)的人體最大允許承受的空氣動(dòng)力為 130N；站臺(tái)旅客和線(xiàn)路作業(yè)人員允許承受的列車(chē)風(fēng)風(fēng)速的建議值為 14m/s。因此，為安全起見(jiàn)，在火車(chē)停靠的站臺(tái)上要畫(huà)白色的安全線(xiàn)，在高速列車(chē)通過(guò)的站臺(tái)上離列車(chē)(1.9~3)m 處設(shè)置安全柵欄。在此也提醒各位讀者，在站臺(tái)候車(chē)期間，一定要在安全線(xiàn)以外的區(qū)域候車(chē)，以免發(fā)生意外！**

（火車(chē)站臺(tái)安全線(xiàn)）

其次，氣流在繞列車(chē)流動(dòng)時(shí)，列車(chē)周?chē)母矫鎸友睾穸确较蛭恢貌煌瑲饬髁魉僖惭杆僮兓?，而各不同速度層之間將產(chǎn)生切向力，這種沿列車(chē)運(yùn)行反方向形成的切向力合力稱(chēng)為空氣摩擦阻力；同時(shí)，由于粘性的存在，列車(chē)風(fēng)在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)有壓力損失，導(dǎo)致列車(chē)車(chē)輛前后表面空氣壓力有顯著的差異，這些壓力差沿列車(chē)運(yùn)行反方向的合力，稱(chēng)為空氣壓差阻力。列車(chē)空氣壓差阻力和空氣摩擦阻力之和，稱(chēng)為列車(chē)氣動(dòng)阻力。研究表明，列車(chē)氣動(dòng)阻力與列車(chē)速度的平方成正比。因此，隨著運(yùn)行速度的提高，氣動(dòng)阻力在總阻力中的比重也會(huì)越來(lái)越大。當(dāng)列車(chē)以 200km/h 速度行駛時(shí)，空氣阻力占總阻力的 70%左右，和諧號(hào) CRH380A在京滬高鐵跑出時(shí)速 486.1 公里時(shí)，氣動(dòng)阻力超過(guò)了總阻力的92%。

（新干線(xiàn) 100 高速列車(chē)運(yùn)行阻力與速度關(guān)系）

另外，列車(chē)風(fēng)流動(dòng)過(guò)程中由于氣流形態(tài)或壓力變化直接產(chǎn)生的、在統(tǒng)計(jì)上是無(wú)規(guī)則的聲音，稱(chēng)為氣動(dòng)噪聲。研究表明，氣動(dòng)噪聲強(qiáng)度與列車(chē)運(yùn)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(dòng)力學(xué)噪聲超越機(jī)械噪聲，成為列車(chē)的主要噪聲來(lái)源。噪聲傳遞到車(chē)內(nèi)，使乘客的感覺(jué)舒適性大大降低；傳遞到車(chē)外，使鐵路沿線(xiàn)兩側(cè)的居民深受其害。對(duì)于高速列車(chē)，氣動(dòng)噪聲問(wèn)題已成為工程界和科學(xué)界共同關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)，這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的解決直接關(guān)系到高速軌道交通的實(shí)用性和可持續(xù)發(fā)展。

上面的描述可能有點(diǎn)抽象，下面結(jié)合大家坐火車(chē)的實(shí)際體驗(yàn)進(jìn)一步介紹列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

坐火車(chē)時(shí)，當(dāng)鄰線(xiàn)有車(chē)從對(duì)面駛過(guò)的時(shí)往往會(huì)有車(chē)體被排開(kāi)的感覺(jué)，并伴有呼嘯聲，為什么呢？這是因?yàn)楫?dāng)火車(chē)交會(huì)時(shí)，由于相對(duì)速度急劇增加，兩車(chē)之間的氣流受到擠壓發(fā)生強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)，在列車(chē)表面產(chǎn)生很強(qiáng)的壓力脈沖，對(duì)列車(chē)安全運(yùn)行、旅客乘坐舒適性以及周?chē)h(huán)境將產(chǎn)生不良影響，如使車(chē)廂產(chǎn)生過(guò)大的變形并伴有爆破聲，擊碎車(chē)窗玻璃，橫向振動(dòng)加劇等。在 1998 年 6 月的進(jìn)行的一次提速實(shí)驗(yàn)中，時(shí)速 160 公里的試驗(yàn)列車(chē)與K316 次列車(chē)(115km/h)相遇，強(qiáng)大的交會(huì)壓力波吸走K316 列車(chē)的一塊玻璃，打碎了兩塊，碎玻璃又連續(xù)打在試驗(yàn)列車(chē)上導(dǎo)致列車(chē)一定程度的損傷。因此，我國(guó)已將檢驗(yàn)列車(chē)交會(huì)空氣壓力波作為列車(chē)運(yùn)行安全評(píng)估的重要內(nèi)容之一。

（列車(chē)交會(huì)壓力脈沖**(U=260km/h，V=210km/h)**

（標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組高速交會(huì)）

當(dāng)我們乘坐的火車(chē)在隧道行駛時(shí)，耳朵有時(shí)會(huì)有不適的感覺(jué)，這又是為什么呢？列車(chē)駛?cè)胨淼罆r(shí)，車(chē)頭對(duì)周?chē)諝鈹D壓所形成的活塞效應(yīng)，在前方形成一個(gè)壓縮波，此壓縮波到達(dá)隧道出口時(shí)，大部分溢出形成微氣壓波，少部分反射回來(lái)為膨脹波；當(dāng)列車(chē)尾部也進(jìn)入隧道時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)膨脹波，并在出口反射一個(gè)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(dāng)列車(chē)速度達(dá)到一定值后便會(huì)引起一系列的氣動(dòng)問(wèn)題：隧道內(nèi)的壓力變化，會(huì)引起車(chē)體結(jié)構(gòu)疲勞，且如果車(chē)輛密封不好，會(huì)造成車(chē)內(nèi)空氣壓力急劇變化而導(dǎo)致乘客耳朵不適；隧道出口處的微氣壓波，會(huì)引起車(chē)輛本身與周?chē)矬w的震動(dòng)，造成對(duì)周?chē)h(huán)境不良的影響等等。武廣客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)開(kāi)通初期，某 CRH 型列車(chē)過(guò)隧道時(shí)，車(chē)體側(cè)壁產(chǎn)生較大的彈性變形并伴有爆破聲，嚴(yán)重地影響了旅客乘坐舒適性和列車(chē)運(yùn)行安全。因此，列車(chē)過(guò)隧道所產(chǎn)生的壓力波是高速鐵路設(shè)計(jì)中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

（列車(chē)過(guò)隧道壓力波示意圖）

日本是最早開(kāi)行高速列車(chē)的國(guó)家，正是因?yàn)榱熊?chē)交會(huì)和隧道空氣動(dòng)力學(xué)等問(wèn)題的制約，其商業(yè)運(yùn)營(yíng)速度至今都未超過(guò) 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(chē)行至南疆線(xiàn)珍珠泉至紅山渠間 42 公里＋300 米處時(shí)，因大風(fēng)造成車(chē)輛脫軌，11 節(jié)車(chē)廂在大風(fēng)中傾覆，全部翻倒在風(fēng)口的山坡上。事故造成 4 名旅客死亡，南疆線(xiàn)中斷行車(chē)九個(gè)小時(shí)。

（列車(chē)被風(fēng)吹翻事故）

上述事故是如何發(fā)生的呢？這是因?yàn)樵跈M風(fēng)作用下，列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能惡化，不僅列車(chē)運(yùn)行阻力、升力和橫向力迅速增加，還影響列車(chē)的橫向穩(wěn)定性。橫風(fēng)環(huán)境下，空氣發(fā)生繞流，由于粘性存在，氣流在列車(chē)不同表面所產(chǎn)生的壓力也不同，壓力差會(huì)產(chǎn)生一個(gè)傾覆力矩M，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到一定的程度時(shí)，列車(chē)便會(huì)在該力矩的作用下發(fā)生傾覆。

（橫風(fēng)環(huán)境下列車(chē)受力示意圖）

從建國(guó)至今，我國(guó)已發(fā)生多起火車(chē)被大風(fēng)吹翻事故，造成了嚴(yán)重的人員傷害和經(jīng)濟(jì)損失。為了避免類(lèi)似事故的發(fā)生，降低環(huán)境對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊?，我?guó)已在青藏、新疆以及部分沿海鐵路建立了大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，制定了《大風(fēng)天氣列車(chē)安全運(yùn)行辦法》。該系統(tǒng)可以對(duì)鐵路沿線(xiàn)風(fēng)速進(jìn)行時(shí)事地在線(xiàn)檢測(cè)和預(yù)報(bào)，根據(jù)不同風(fēng)速等級(jí)對(duì)進(jìn)入風(fēng)區(qū)的列車(chē)采取限速或停輪避風(fēng)等技術(shù)措施，從而最大限度地保證列車(chē)的運(yùn)營(yíng)安全。

（新疆鐵路大風(fēng)自動(dòng)檢測(cè)站）

列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中除了上述外流場(chǎng)問(wèn)題，還有空調(diào)進(jìn)氣、客室內(nèi)溫度分布等內(nèi)流場(chǎng)問(wèn)題，篇幅所限不再贅述。

隨著運(yùn)行速度的不斷提高，列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題也變得更加嚴(yán)峻。由于列車(chē)的龐大、細(xì)長(zhǎng)和近地運(yùn)行，與汽車(chē)和航空飛行器相比，其空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題具有特殊性。鑒于對(duì)高速鐵路建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的重要性及特殊性，高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題得到世界各國(guó)的高度重視。自 20 世紀(jì) 50 年代以來(lái)，各國(guó)在發(fā)展高速鐵路的過(guò)程中，都將空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題作為重點(diǎn)攻關(guān)課題進(jìn)行了大量的研究。通過(guò)研究，探究列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題形成機(jī)理，分析各參數(shù)對(duì)列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律，為列車(chē)與沿線(xiàn)建筑物設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和支撐。

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