初探高鐵列車風的空間分布

河北省石家莊市二中高三14班 楊翹楚

假期旅游，我在高鐵車站站臺短暫候車，鄰近車道恰好有列車通過，我感覺有股風從站臺上刮過。我不禁感嘆，列車經過竟會產生這么大的風！列車離我所在的站臺還有一定的距離，我都能明顯感覺有風刮過，如果我和列車的距離更近一點的話，風是否會更大呢？同時我想，這風是否會對鐵路設施以及養護人員的安全構成威脅呢？

帶著這些問題，我查閱了相關資料并得知，原來這種現象叫“列車風”。由于空氣具有黏性，當列車高速行駛時，緊貼列車表面的空氣粘附于列車表面隨列車一起運動，而接近車體表面的空氣層受內層空氣的黏性摩擦作用，也以一定的速度隨車而流，其流速隨該空氣層距車體表面距離的增加而降低。當該距離增加到一定值時，空氣不再受列車運行的影響，我們把受到列車運行影響的空氣層稱為邊界層。邊界層內的空氣隨列車一起向前流動，這股空氣流被稱為“列車風”。

我國目前的高鐵運營時速已達350 千米，高鐵列車在這樣的速度下，會產生多大的列車風呢？而列車風在列車經過的空間內又是如何分布呢？為弄明白這一系列的問題，我來到了石家莊鐵道大學，向相關領域的老師請教。通過老師的講解和進一步查閱資料，我對列車風有了更加深入的了解。

原來列車風不僅與列車速度和距車體表面的距離有關系，還與列車所處的空間、車頭形狀等因素有很大關系，比如列車經過隧道、車站雨棚等空間時產生的列車風與它在開放空間產生的列車風有很大區別；同樣的空間下，不同車頭產生的列車風也有很大差別。目前關于高速列車風的研究以試驗和計算機模擬為主要手段，這些都需要深厚的專業背景。對于我這樣的高中生來講，是否有其他手段來了解列車風在空間的分布呢？老師建議我從現行的規范或技術資料入手。

經過查找技術資料，發現我國在2014年發布的《高速鐵路設計規范》（以下簡稱《規范》）中有關于列車風的規定。規范中7.2.23對列車引起的氣動力計算做了如下規定：

1.列車引起的氣動壓力和氣動吸力應由一個5m長的移動面荷載+q及一個5m長的移動面荷載-q組成。

2.氣動力應分為水平氣動力qh和垂直氣動力qv。水平氣動力作用在軌頂之上的最大高度為5m。水平氣動力qh可由規范中7.2.23的曲線查取。垂直氣動力qv按下式計算：

qh——水平氣動力（kN/m2）；

D——作用線至線路中心距離(m)。

根據《規范》，我們可以得出以下結論：

1.車頭經過時，由于車頭對空氣的擠壓，空氣壓力會陡然升高，形成空氣壓力；車頭過后，由于空氣伴隨車體的運動和拖拽，該處空氣壓力會降低到負值，形成空氣吸力。

2.《規范》為了方便計算，保守起見，將氣動力簡化為一個5m 長的移動面荷載+q及一個5m長的移動面荷載-q。

3.面荷載大小與車速和作用線至線路中心距離有關；在同樣車速情況下，荷載隨作用線至線路中心距離增大而非線性減小；在相同作用線至線路中心距離處，荷載隨車速增大而增大。

4.《規范》在軌頂之上5m 范圍內適用。

5.《規范》沒有考慮列車形狀對氣動力的影響。

6.《規范》考慮了列車通過空間對氣動力的影響，列車通過有頂蓋的空間時，考慮頂蓋的阻擋，氣動力強度增大到露天情況的1.5倍。

將氣動力強度公式計算范圍進行拓展，考慮水平氣動力與列車側面的垂直關系，將水平氣動力強度等效為標準風壓。為了更加直觀了解風力等級，將風壓轉換為風速，如式(2)所示。

式中：qh為風壓；g為重力加速度，本文取9.8m/s；ρ為空氣密度，本文取為0.012018 kN/m3；v為風速，將以上參數代入可得

CRH380 動車組的外形尺寸，車體寬3.4m，車體高3.7m，以該輪廓基礎，計算列車周圍空間各點的風速，然后依據風速等高線繪制風速分布，如圖1～圖7所示。

圖1 車速350km/h

圖2 車速300km/h

圖3 車速250km/h

圖4 車速220km/h

圖5 車速200km/h

圖6 車速180km/h

圖7 車速160km/h

從圖中可以看出，列車以車速350km/h 通過時，距離線路中心線2m 處（距列車輪廓0.3m）的風速可達51m/s，對應于Beaufort 風力等級表中的風力等級為16級；而距離線路中心線6m處（距列車輪廓4.3m）的風速可達21m/s，風力表中對應為9 級；可見以350km/h 運行的列車產生的列車風是相當大的。所以該車速運行列車時應重點考慮列車風對設施及養護人員安全的影響。

列車風是一種復雜的流體湍流現象，與列車外形、所處空間環境、車速等因素密切相關。本研究僅是在現有規范的基礎上，采用規范中的數據，將列車風進行了空間上的簡單推演，實際情況的列車風會與本研究結果有出入。