涨知识| 动车组的外形设计有什么门道？

涨知识| 动车组的外形设计有什么门道？

当我们谈论高铁动车组时，脑海中首先浮现的是它们那类似子弹头的流畅外形，这与过去那些外观方方正正的普速列车形成了鲜明对比。不用多说，高铁动车组的设计肯定不仅是为了美学，更重要的是为"跑得快"。今天我们就来聊聊动车组外形设计背后的科学原理。

空气动力学

空气动力学是力学的一个分支，最开始主要是研究飞行器的。这门学问主要是分析飞机与空气作相对运动情况下的受力特性、空气的流动规律和伴随发生的物理化学变化。它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。

相对飞行原理（左图为物动气静，右图为物静气动）

实际上，空气动力学也不仅针对飞行物体，地上跑的各种车也可以同样适用。火车运行过程中所受的阻力主要包括轮轨滚动的阻力、空气阻力、坡道附加阻力和加速时的惯性阻力。在低速状态下，轮轨阻力占绝大部分。但随着列车速度的提升，空气阻力的影响也会随之增大。特别是当列车的速度超过200km/h，空气阻力就会成为最主要的阻力来源。

在日常生活中，我们都有类似的体验：在轻微的风中行走时，风的阻力几乎可以忽略不计。但是，当遇到强风时，逆风行走就会变得非常困难。火车也是这个道理，列车在运行时所受到的空气阻力与其速度的平方成正比。

因此，对于普速列车（速度≤160km/h），空气阻力的影响相对较小，我们在设计列车外形时通常不需要特别考虑这一因素。然而，当列车以200km/h高速运动时，空气阻力可达列车全部行驶阻力的75%以上，超过300km/h时，空气阻力占比80%以上。因此必须运用空气动力学原理，通过优化动车组车头、车身和车体附件的形状来尽可能降低空气阻力。

降低空气阻力

空气阻力主要由三部分组成。第一种是列车头部迎风面受到的正面压力，以及尾部由于空气尾流造成的稀薄空气产生的向后拉力，这种由于车头和车尾压力差形成的阻力称为压差阻力；第二种是由于空气粘性在车体表面产生的摩擦阻力；第三种是由列车转向架、车顶设备、门窗、车厢间的连接风挡等凹凸结构引起的干扰阻力。

动车组车头的流线型设计主要是为了减少压差阻力，这与飞机的外形设计有相似之处。流线型的设计有多种，人们会根据空气动力学原理，通过计算机仿真和模型实验来测试车体周围的气流、列车表面的压力和气动力等参数，以确定最佳的动车组头部流线型。

在外形上，动车组与普速列车的机车和车辆都有许多不同之处。动车组车体侧壁非常平滑，几乎没有明显凹凸的地方；车厢底部的设备被平整的裙板覆盖；车厢顶部的受电弓也得到了专门的导流罩保护。所有这些设计都是为了减少由空气引起的摩擦阻力和干扰阻力。

降低压力波

减少动车组的空气阻力是设计动车组外形时的一个关键目标，但并非唯一的考虑因素。当列车以高速行驶时，一些在中低速状态下不明显的问题会变得更加显著，例如压力波问题。

乘坐高铁列车时，我们可能会经历这样的现象：列车在行驶中，当对面有另一列车快速通过时，会伴随着一声啸叫并引起短暂的强烈横向摆动。这种横向摆动就是由列车交会时产生的压力波所导致的。

在列车交会时，相对运动的车头对空气产生压缩，从而在交会区域的侧壁上形成交替的高压和低压区域。列车的速度越快，交会时产生的压力波强度也越大。这种压力波对列车侧壁和窗户的强度、运行稳定性都有影响，也会对车内的乘客造成不适，甚至可能引发安全问题，如车体侧窗破碎、车辆蛇形运动、轮缘与道轨因侧向冲击造成磨损等。据说，我国铁路经历过六次大提速，在提速至160km/h时，就曾发生过因交会压力波导致的列车窗户玻璃破碎事故。

如今高速铁路网络越来越大，动车组运行速度普遍超过200km/h，最高可达到350km/h，未来可能还会有400km/h的列车，这种高速情况下的交会压力波变化幅度和最大正负压力值都会显著增加，可能带来更严重的负面影响。因此，人们在动车组的气动外形设计上，通过延长流线型车头的长度和采用宽扁型车头，可以有效降低交会时压力波的幅度。

动车组在隧道中的行驶环境更复杂，其表面承受的压力远超过在空旷区域行驶时的压力。当列车驶入隧道，车头前方的空气被急剧压缩，无法及时从隧道口排出，导致入口处压力剧增，形成压缩波，这种压缩波以声速向隧道出口传播。当车尾进入隧道时，车尾后方的空间突然释放，空气补充不及时，造成压力骤降，产生膨胀波，膨胀波同样以声速向隧道出口传播。在隧道出口，这些压缩波和膨胀波部分会以微小气压波的形式向外散射，而另一部分则相互转化后反射回隧道入口。

若隧道较长，压力波会在隧道内反复作用于列车，导致列车表面压力在短时间内剧烈波动。如果列车的密封性不佳，外部压力波动会传入车内，引起车内压力突变，可能导致乘客耳鸣。

同时，隧道内的压力波也会导致列车气动力失衡，这也是为什么高铁在多隧道线路上运行时，轮轨磨损比一般露天的线路更为严重的原因之一。日本研究还发现，列车在隧道内运行时车尾可能出现横向摆动现象。针对这种情况，通过减少列车横截面积与隧道横截面积的比值（阻塞比），可以有效降低隧道压力波的强度，这也是高速动车组设计更加细长的原因之一。

降低气动噪声

刚才说到，列车进入隧道后，隧道内的空气受到挤压，形成压力波以音速向隧道出口方向快速推进，压力波到达出口时，一部分压力波以脉冲的形式向四周发射微气压波，同时产生爆破声。微气压波主要是能量低于20Hz的次声波，可传递到400米远的地方，这种噪声很刺耳，在隧道附近的铁路职工或者居民肯定饱受其苦。

高速动车组快速行驶时，会扰乱气流，产生气动噪声，这是影响乘客舒适度的一个重要因素，也是一个需要解决的关键问题。

列车的气动噪声能量与其速度的6至8次方成正比。研究表明，如果列车速度从200km/h提升至300km/h，气动噪声可能会增加大约10至14分贝。针对这种情况，基于空气动力学原理，我们需要把动车组的头部设计得更尖细、修长，尽量减少车辆的横截面积，并确保车体表面尽可能平整光滑，避免有凸起。

为了降低气动噪声，除了需要优化车体设计以外，还需要减少车辆顶部受流系统产生的气动噪声。为此，需要对受电弓及其相关设备进行优化，包括安装受电弓导流罩、开发低噪声受电弓、使用低噪声绝缘子等措施。

例如，CRH380A型动车组车头形状仿照“火箭”，它的各项技术性能优异，相比前一代和谐号，空气阻力减少6%，气动噪声下降7%，列车尾车升力接近0，隧道交会压力波降低20%，明线交会压力波降低18%。

CR400AF型动车组采用了类似新干线E5的完全内埋式高压总线，这是一个很大的进步。车顶除了单臂式受电弓附近的高压设备之外，车顶是完全平顺的，气动阻力降到了最小。

CR400BF型动车组采用了内埋入、侧面牵出的高压接头，高压总线同样埋入了车内，但是接头仍然在外，受电弓下部的导流罩也被取消。

高速动车组的外观虽然令人赏心悦目，但它们不仅仅是艺术品，在它们流畅的轮廓背后，有着空气动力学的科学原理作为支撑，确保列车能够以高速、安全和舒适的方式运行。

（部分内容来源：力学与实践、力学科普、中国铁路 等）