高速動車組通過隧道時氣動阻力特性研究綜述

段修平

摘 要：列車速度提高帶來的空氣動力學問題成為亟待解決的問題，特別是列車在隧道內會車時，隧道內空氣受到強烈擠壓，產生劇烈的壓力波動，可引起車窗玻璃受沖擊而損壞。本文介紹了國內外學者通過動模型試驗、實車試驗和數值計算等方法對高速列車單車通過隧道和隧道內交會時的氣動阻力特性的研究現狀，并提出了未來研究高速動車組氣動阻力的發展方向和研究內容。

關鍵詞：高速動車組；氣動阻力；隧道單車；隧道會車

隨著高速動車組運營速度的不斷提高，高速動車組進入隧道后，空氣流動空間受到隧道壁面的限制及其空氣的可壓縮性，導致空氣受到壓縮，而且由于列車進入隧道產生膨脹波和壓縮波的反復作用，導致列車車身所受的壓力急劇變小、變大，列車所受壓力波和氣動阻力也急劇減小或增大。劇烈的壓力波動會引起車窗玻璃受沖擊而損壞[1]，嚴重影響列車運行安全性和乘坐舒適性[2]，氣動阻力的增大會增加列車的能耗，降低列車運行的經濟性[3]。因此，對列車通過隧道時的氣動阻力進行研究，有助于探究列車隧道氣動阻力變化規律，通過隧道基礎設施建設和改進優化列車結構提供依據。

1 單車通過隧道工況

圖1表示了列車駛入隧道時的壓力分布圖。高速列車駛入隧道后，車頭壓縮空氣向前流動，可壓縮的空氣由于受到隧道壁面的限制導致空氣急劇壓縮產生壓縮波；車尾駛入隧道后，車后放空間形成負壓區，導致周圍空氣流向隧道內產生膨脹波。膨脹波和壓縮波在隧道內往復傳播導致車身周圍的壓力急劇變小、變大，空氣流動復雜多變，使列車車身壓力波和氣動阻力隨著列車與隧道不同的相對位置而不斷變化。

研究表明：高速列車單車通過隧道時所受的氣動阻力主要由壓差阻力構成，列車的頭車和尾車阻力的變化趨勢與壓力的變化趨勢相同[4]。高速列車在隧道內運行時，列車壓差阻力有時小于明線的壓差阻力，有時大于明線的壓差阻力，但摩擦阻力一直大于明線運行時的摩擦阻力；空氣阻力與壓差阻力兩者的變化趨勢幾乎一致，壓差阻力對列車空氣阻力的影響遠大于摩擦阻力對列車空氣阻力的影響，壓差阻力對列車空氣阻力的變化起主導作用。

2 隧道內兩車交會工況

圖2表示了列車隧道內交會時的壓力分布圖。列車高速通過隧道時的氣動阻力要比明線運行時的大得多，尤其列車在隧道內會車時，隧道內空氣受到強烈擠壓，產生劇烈的壓力波動，以及隧道內由于兩列車進入后產生的壓縮波和膨脹波的反復影響，使高速列車在隧道會車時所受的氣動阻力變化劇烈。列車在隧道內交會時，其阻力變化趨勢與單車過隧道時相似；在隧道內交會時的車體表面壓力要遠遠大于在明線上交會的情況，在隧道內交會對車體結構強度提出了更高的要求[5]。

高速動車組隧道內頭頭交會過程中，頭車鼻錐壓力降低，車體表面的壓力減小。當列車頭尾交會過程中，頭車鼻錐壓力增大，尾車鼻錐壓力減小，空氣阻力增大。當列車尾尾分離過程中，尾車鼻錐壓力增大，空氣阻力下降，車體周圍的壓力增大。高速動車組隧道內頭頭交會時，頭車阻力出現很大的負值，即產生一個與速度方向相同的推力，尾車阻力增大。頭尾交會過程中，頭車的推力繼續增加，尾車的阻力也急劇增大。尾尾分離時，頭車阻力恢復正值，尾車產生較小的負值，即尾車產生與速度方向相同的推力；頭車的阻力變化最大；頭頭交會與頭尾交會的過程中，頭尾車阻力變化比較大；交會完成前，頭車表現為向前的推力，尾車阻力最大。在整個交會過程中，阻力均比其他時刻大得多。

3 結論

本文簡要的介紹了國內高速動車組隧道內運行時氣動阻力的特性和研究現狀。隨著我國高速鐵路恢復350km/h的運營速度，未來必將涉及更高速度列車氣動阻力的相關問題，對高速動車組隧道運行時的氣動阻力進行研究，掌握列車隧道氣動阻力變化規律，通過隧道改進和列車結構優化來降低氣動阻力在高速動車組總阻力中的占比是高速動車組空氣動力學研究的關鍵技術。

參考文獻

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[3]張業，孫振旭，郭迪龍，楊國偉，尚克明.風擋縫寬對高速列車氣動性能的影響[J].鐵道學報，2017，39（3）：19-24.

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