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(fēng)?？諝庥姓承裕熊囷L(fēng)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(xué)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(fēng)，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(shè)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(biāo)準(zhǔn)有風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)和氣動力兩種指標(biāo)。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(fēng)風(fēng)速的建議值為 14m/s。因此，為安全起見，在火車?？康恼九_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(shè)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(fēng)在流動過程中會有壓力損失，導(dǎo)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(dāng)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(guān)系）

另外，列車風(fēng)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(xué)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(xué)界共同關(guān)注的一個熱點，這個關(guān)鍵問題的解決直接關(guān)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(xué)問題。

坐火車時，當(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)動車組高速交會）

當(dāng)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(yīng)，在前方形成一個壓縮波，此壓縮波到達(dá)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(dāng)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(dāng)列車速度達(dá)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(dǎo)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(yán)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(shè)計中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)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(xué)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(fēng)造成車輛脫軌，11 節(jié)車廂在大風(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，南疆線中斷行車九個小時。

（列車被風(fēng)吹翻事故）

上述事故是如何發(fā)生的呢？這是因為在橫風(fēng)作用下，列車空氣動力學(xué)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(fēng)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(dāng)風(fēng)力達(dá)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(fēng)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(fēng)吹翻事故，造成了嚴(yán)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(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，制定了《大風(fēng)天氣列車安全運行辦法》。該系統(tǒng)可以對鐵路沿線風(fēng)速進行時事地在線檢測和預(yù)報，根據(jù)不同風(fēng)速等級對進入風(fēng)區(qū)的列車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的運營安全。

（新疆鐵路大風(fēng)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(xué)問題也變得更加嚴(yán)峻。由于列車的龐大、細(xì)長和近地運行，與汽車和航空飛行器相比，其空氣動力學(xué)問題具有特殊性。鑒于對高速鐵路建設(shè)與運營的重要性及特殊性，高速列車空氣動力學(xué)問題得到世界各國的高度重視。自 20 世紀(jì) 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(xué)問題作為重點攻關(guān)課題進行了大量的研究。通過研究，探究列車空氣動力學(xué)問題形成機理，分析各參數(shù)對列車空氣動力學(xué)性能的影響規(guī)律，為列車與沿線建筑物設(shè)計提供理論依據(jù)和支撐。

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