更高速(400+ km/h)列車氣動減阻技術發展與展望

余以正，劉堂紅，夏玉濤，楊明智，劉宏康

(1. 中南大學 交通運輸工程學院， 長沙 410075；2. 中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062)

0 引言

“復興號”中國標準動車組在我國高鐵線路上的快速應用推廣標志著我國350 km/h高速列車動車組技術的發展日趨成熟，充分奠定了我國高速列車技術在世界范圍內的領先地位[1-2]。同時對更高速（400+km/h）列車的研制是國內外高速列車研究人員不變的方向，因此德國、法國、日本等傳統高速鐵路強國均已將下一代更高速列車的研發提上日程[3-4]。在競爭如此激烈的高速列車領域的國際環境下，為提高我國高速列車技術的競爭力，快速推動我國高鐵“走出去”步伐的邁進，我國也著力于具有中國完全自主知識產權的更高速（400+km/h）高速列車的研發，時速400 km高速動車組的成果研發與運營將是我國高速列車的發展過程中的新的里程碑。

運行的高速列車所受阻力主要包括機械阻力和氣動阻力兩個方面，其中氣動阻力與列車運行速度平方成正比，相比350 km/h高速列車。400 km/h列車運行過程總阻力增加近30%，其中空氣阻力在總阻力中占比也大幅提升到90%以上[5-6]。同時，高速列車運行所需功率隨速度的立方增加，從而引起高速列車運營能耗的迅速增大。氣動阻力引起的高速列車能耗的增大，嚴重影響到下一代高速列車所追求的經濟和環保特性，甚至使列車的提速過程變得更加困難，是下一代更高速列車研發道路上必須跨越的阻礙。因此，時速400+km高速列車研發過程中，必須同步探索推進“提速”與“減阻”技術，才能更好實現我國下一代高速列車的更高速、更舒適、更經濟環保的設計目標[7-8]。

列車氣動減阻技術作為高速列車發展過程中一個長期探究的問題，受到了國內外高速列車領域學者的廣泛關注，圍繞高速列車不同角度展開的減阻技術也被廣泛應用到現有運營高速列車的設計過程[6]。隨著高速列車運營速度等級的提高，匹配該速度等級的減阻技術也需要展開新的探究設計，因此本文旨在分析高速列車氣動阻力分布特征，闡述目前較成熟的高速列車減阻技術，總結歸納國內外針對更高速列車的氣動減阻設計，并進一步展望我國下一代更高速列車減阻技術，為我國時速400+km高速列車的氣動外形設計提供參考。

1 列車氣動阻力分布特征

鐵路列車空氣動力學相關標準[9]明確指出運行列車受到的由空氣壓差和黏性所引起的氣動阻力與列車運行速度的平方成正比。因此，由于列車各個部位結構不同，列車氣動阻力在車體不同部位的分布權重也明顯不同，并且這種分布情況隨著列車運行速度以及氣動外形的整體變化會表現出一定差異。圖1所示為普速列車與高速列車的氣動阻力在車體不同部位的分布情況。

圖1 普通列車與高速列車的氣動阻力分布特征Fig. 1 Aerodynamic drag distribution characteristics of traditional trains and high-speed trains

可以看出，列車氣動阻力的主要來源包括：頭車和尾車、表面摩擦、轉向架、車體表面突出結構、受電弓、車間間隙、風阻制動（高速列車）、車下部分等。但普通列車與高速列車的氣動阻力在不同部位分布權重有著明顯差異，對于普通列車頭尾部及車體表面突出物所引起的氣動阻力占整車阻力近60%，而對于當前運營高速列車，由于頭尾部流線型設計的不斷成熟以及車體表面的平順化設計，其車體表面突出物占比幾乎為零，而頭尾引起的阻力占比相比普通列車明顯減小。由此可見，長編組高速列車超過70%的阻力是由轉向架和車輪以及列車側邊和頂部的表面摩擦造成的，頭車和尾車的重要性并不占主導地位。因此，相比列車氣動阻力在不同部件間的分布權重差異，導致對下一代更高速列車氣動減阻設計方法與已有傳統減阻優化方法之間的差異。

2 國外更高速列車氣動減阻研究

針對國內外設計在350 km/h以上的輪軌高速列車進行匯總[10]，如表1所示。表1中統計數據顯示目前國內外設計時速在350 km以上的共有12種列車，其中設計速度超過400 km/h的僅HEMU-430X與CR400兩種。不同國家地區在更高速列車的研發設計過程中均對列車外形進行了多種優化減阻設計。

表1 設計速度在350 km/h以上的輪軌高速列車列表Table 1 List of wheel-rail high-speed trains with design speeds above 350 km/h

2.1 歐洲

歐洲作為火車的起源地，誕生了很多列車公司，其中包括法國的Alstom、西班牙的CAF、西班牙的Patentes Talgo以及德國的Siemens。

法國Alstom開發的新的Avelia高速列車平臺，繼承并發展了TGV、AGV和New Pendolino型列車的結構優勢。Avelia平臺的動車組選用了動力集中模式：列車兩端2輛動力車加鉸接式拖車。研發人員成功縮短了動車長度，從而縮短了列車總長，非載客車輛的內部空間也有所減小。與參數相近的AGV型列車相比，Avelia平臺列車的造價可降低20%。與上一代TGV型列車相比，Avelia平臺列車的電能消耗率（以人公里計）可減少15%～30%，維修成本可減少10%[10-11]。

德國Siemens新推出的Velaro Novo型高速列車的設計速度為360 km/h，為在提高運營速度同時降低列車運行能耗，Velaro Novo不僅相比上一代Velaro列車總重減少15%，同時也對氣動外形進行了大幅優化改變，其中包括頭車尾車外形、車頂及受電弓、風擋、轉向架等等。最終實現運行速度在300 km/h時能耗減少了30%[12]。如圖2所示，Velaro Novo高速列車除對頭尾外形進行流線型減阻優化外，并且還對外風擋進行了完全封閉平順的流線化處理，使風擋與列車表面光滑銜接，優化后的氣動阻力可以降低約10%。

圖2 Velaro Novo型高速列車的流線型風擋Fig. 2 Streamlined windshield of Velaro Novo high-speed train

除車廂連接處的減阻優化外，列車頂部外形結構的設計，也成為Velaro Novo型列車減阻優化的另一個主要著手角度。如圖3所示，Velaro Novo型列車首先采用了更加符合空氣動力學的受電弓，同時它的受電弓與傳統Velaro型列車相比寬度更小，方便在降弓狀態下收入罩殼內以進一步改善列車的空氣動力學性能。此外，Velaro Novo型列車的車頂高壓設備是完全隔離的，車頂制動電阻片散熱口可以控制開合，因此可以用罩殼將其完全覆蓋，使車頂光順無凸起。流線型的車頂使 Velaro Novo型列車能耗降低10%。

圖3 Velaro Novo型列車的車頂罩殼及受電弓Fig. 3 Roof cover and pantograph of Velaro Novo high-speed train

此外，為充分避免因列車底部復雜引起流動分離而產生的較大氣動阻力，Velaro Novo型列車采用了如圖4所示的轉向架結構完全包裹以及底部安裝腹板結構的底部結構設計方式。數據表明，這種車體底部結構優化設計方法，可使其能耗降低15%以上，這個結果與Mancini的實驗結論相吻合。Mancini通過實車試驗測量了ETR500列車氣動阻力，得到轉向架部位添加裙板裝置可減阻10%的重要結論[13-14]。

圖4 Velaro Novo型列車的轉向架及其包覆情況Fig. 4 Bogie and its covering structures of Velaro Novo high-speed train

從歐洲相關國家對下一代高速列車的設計方案可以看出，針對下一代更高速列車氣動減阻技術的實施除了對高速列車頭尾部流線型部分展開一定優化之外，主要圍繞車廂間風擋連接處、車頂部受電弓區域以及列車底部轉向架區域的平順化展開。因此相比現有高速列車，其下一代高速列車氣動外形中非流線型結構暴露在空氣中的部分明顯減少。

2.2 日本

日本高速列車起步時間早，所以陷于早期施工的歷史局限性，日本的隧道橫截面基本在64 m2以下，較小的隧道橫截面積導致較大的阻塞比，使得日本的高速列車較早遇到氣動問題，所以日本是對列車空氣動力學問題研究較早的國家。日立制造的N700S型動車組代表了日本高速列車的先進技術。如圖5所示，在經過多達50000種頭型的模擬分析對比之后，N700S型動車組頭部結構相比與N700A型動車組在流線型設計上做出了很大優化，N700S型動車組在車體左右兩側設立棱邊，構成張開雙翼的形狀[15-16]。

圖5 左：N700A航空雙翼型列車，右：N700S雙高翼型列車Fig. 5 Aviation double wing type train N700A (left)；double high wing type train N700S (right)

圖6所示為N700A型動車組和N700S型動車組尾車流線型頭部附近的尾流結構對比，可以明顯看出N700S型動車組流線型頭部結構設計能夠有效控制減弱尾流中的流動分離，減小尾部因流動分離引起的負壓區域，從而降低了列車氣動阻力、隧道微氣壓波、噪聲、尾車晃動等，使能耗降低7%，具有很好的經濟性和環保性。此外，日本鐵道綜合研究所對16種系列頭型進行風洞試驗時還發現，相同長細比外形下，二次元流線型最佳[17]。

圖6 高速列車流線型頭部區域三維流線圖(左：N700A，右：N700S)Fig. 6 Three-dimensional streamline pattern around the streamlined head of high-speed trains (left: N700A,right: N700S)

如圖7所示，除頭部流線型優化設計之外，N700S型動車組在轉向架方面也進行了大量的優化設計工作，通過對電子儀器和靜電天線進行小型化、改變裙板形狀，縮小了轉向架下部的開口面積，抑制了流入轉向架周邊的空氣，一方面降低了車輛上的積雪；另一方面使轉向架周邊的流線平整有序，減少阻力。

圖7 N700S型動車組轉向架區域裙板形狀Fig. 7 Bogie fairing structures of the N700S EMU

如果將N700S看作日本現在的高速列車名片的話，那么圖8所示的日立研發的ALFA-X就代表了日本未來的高速列車名片。該列車是作為一個試驗平臺，用以實現新一代高速機車車輛理念而生產的。ALFA-X采用了超長前鼻、受電弓及轉向架全包裹導流等措施降低空氣阻力[18-19]。

圖8 ALFA-X型動車組前鼻長度Fig. 8 Nose length of the ALFA-X EMU

日本對下一代更高速列車的氣動外形設計的重點與歐洲相關國家的設計方案有所不同，由于日本的現有鐵路線路的隧道占比較大且隧道橫截面較小，其在高速列車氣動外形設計中，不僅考慮到減阻問題，也重點考慮了列車-隧道耦合引起的相關空氣動力學問題。因此，日本在下一代更高速列車氣動外形設計中重點圍繞流線型頭部的結構優化展開，其下一代高速列車均有著流線型頭部相比現有高速列車較長，并且流線型結構更合理的特點。日本通過對流線型頭部外形結構的大幅優化，不僅使下一代高速列車氣動阻力較小，還保證了列車在高速通過橫斷面面積較小的隧道時也具有較優空氣動力學性能。

2.3 韓國

韓國Huyndai Rotem公司正在開發的下一代高速列車HEMU-430X，如圖9所示，其最大速度為430 km/h，超過馬赫數0.3。為了研究頭型的氣動阻力特性，韓國學者KWON等[20]通過對比研究不同頭型的高速列車氣動阻力，發現流線型好且細長的頭型氣動阻力系數最小；CHOI等[21]研究了不同頭型的列車過隧道，發現優化后的流線型頭型的氣動阻力比鈍頭頭型列車的小50%，以上兩個結論都表明了流線型對列車頭型的重要性。

圖9 韓國高速列車(HEMU-430X)Fig. 9 Korea high speed train (HEMU-430X)

為了完善對列車受電弓附近結構的氣動外形優化設計，韓國學者圍繞受電弓先后展開結構優化研究。如圖10所示，LEE等[22]研究了3種受電弓罩對列車的氣動阻力的影響，并指出受電弓罩為流線型的列車的氣動阻力最小；非對稱受電弓罩比對稱受電弓罩的阻力更大；與無受電弓罩的列車相比，具有受電弓罩的列車的氣動阻力都增加了。受電弓罩形狀的優化設計既要滿足受電弓系統的氣動性能，又要滿足整個列車使用受電弓罩時的氣動阻力特性。根據整個列車的空氣動力阻力特性，不建議安裝額外的蓋板。

圖10 受電弓罩形狀(左：流線型；中：楔形1；右：楔形2)Fig. 10 Pantograph cover shapes (left: streamlined;middle: type 1 wedge; right: type 2 wedge)

JEONG等[23]則研究了受電弓的連接臂與氣動阻力的關系，在確認受電弓連接臂的形狀是受電弓產生噪聲和阻力的主要位置之后，通過在受電弓連接臂區域安裝如圖11所示的連接臂罩后，可使列車噪聲平均降低了1.54 dB，阻力平均降低了6.2%。同時，通過對受電弓頭部進行圖12所示截面優化設計，噪聲降低了1%，平均3.33 dB，阻力降低了17.41%。通過優化受電弓連接臂，受電弓臂和受電弓底座，與現有的CX型受電弓相比，噪聲降低6.5 dB，阻力降低了25.61%。

圖11 安裝流線型受電弓連接臂罩后的受電弓模型Fig. 11 Pantograph model with installed the streamlined cover for the connecting arm

圖12 受電弓盤頭橫截面優化路線Fig. 12 Cross-section shape optimization of the pantograph head

如圖13所示，MOON等[24]采用數值仿真計算分析了轉向架區域采用不同裙板結構的HEMU-430X高速列車的氣動阻力，研究結果指出半包覆轉向架裙板的列車氣動阻力降低5.2%，全包覆轉向架裙板的列車氣動阻力降低7.8%。主要原因是減少了從側面進入轉向架腔內的氣流，從而降低了轉向架以及車身的壓差。此結論與Siemens的Velaro Novo列車的轉向架包覆情況相匹配，也與日立的ALFA-X列車的轉向架包覆情況相匹配。

圖13 裙板包覆狀況(上：半包覆，下：全包覆)Fig. 13 Shapes of bogie side fairing (upper: semi-bogie fairing,bottom: full-bogie fairing)

與歐洲相關國家的下一代更高速列車氣動減阻技術相似，韓國在保證高速列車頭部具有較優流線型頭部的前提下，重點圍繞對車頂受電弓區域和底部轉向架區域中外露非流線型結構的平順化包裹展開，以最大程度減少高速列車外露部件結構中非流線型結構的占比。同時，針對因保證列車正常運營需求必須暴露在空氣中的受電弓中的相關桿件結構，進行最大程度的流線型優化處理，且流線型優化處理之后的受電弓桿件結構相比原始非流線型桿件結構氣動減阻效果明顯。

3 國內高速列車氣動減阻研究

與國外研究角度相似，國內針對高速列車氣動外形減阻優化研究也主要圍繞頭部流線型優化和車體局部結構平順化設計展開。

3.1 列車頭部外形優化設計

中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室早在90年代就開始了高速列車減阻研究，田紅旗[25]系統研究了4種典型頭型，得出了氣動阻力與外形參數之間的經驗公式，得到了列車流線型長度越長，越有利于降低列車氣動阻力。周丹等[26]采用數值模擬方法對國產磁懸浮列車頭型進行了優化，得到了扁長型頭部外形的氣動阻力最小。李睿等[27]實現了一種圖14所示的基于網格變形的高速列車氣動外形優化方法，對比了不同頭型設計對列車氣動阻力的影響，指出非對稱優化結果要好于對稱優化結果。陳爭衛等[28]研究了4種高速列車鼻部長度對小側滑角下列車氣動性能影響，結果指出當鼻部長度從4 m增加到12 m時，總阻力系數減小19.0%，側向力，升力和側傾力矩系數分別減小10.6%、21.7%和7.3%。姚拴寶等[29]基于局部函數三維參數方法、改進蟻群算法和Kriging代理模型開展了列車頭型的三維氣動減阻研究，達到了整車減阻5.41%的良好效果；同時，提出了基于實數編碼遺傳算法的GA-GRNN高速列車頭型三維優化設計方法，應用于CRH380A列車，實現減阻8.7%[30]。

圖14 基于網格變形的高速列車頭型優化設計流程圖Fig. 14 Flow chart of optimization design of high-speed train head shape based on mesh deformation

與國外針對高速列車減阻技術的研究相同，國內早期就開展了大量針對高速列車流線型頭部的減阻優化設計。在這些研究成果的支撐下，目前國內外高速列車均具備較優的流線型結構，并且流線型結構的設計在控制流線型部分長度不明顯變化的情況下，已發展的非常成熟。因此，我國下一代更高速列車的氣動減阻技術在頭型的流線型優化設計方面，相比現有高速列車頭型可能較難進一步實現大幅度的減阻效果提升。

3.2 車體局部結構優化設計

基于列車外形整體設計的減阻技術已得到較成熟的發展，目前列車整體氣動外形設計已經達到了較高的水平。因此，為進一步實現高速列車減阻，可在不改變列車基本外形的前提下，通過局部結構優化來實現減小高速列車運行阻力目的，其中轉向架、風擋及受電弓等部位的優化是減阻研究中涉及較多的部位。張潔等[31]對比了四種不同轉向架腔切角的高速列車氣動阻力，指出前后采用直板形式的轉向架腔能夠得到較優的阻力性能，如果列車雙向運行時能實現對轉向架腔形式的改變，則混合切角形式的轉向架腔能夠實現三編組列車氣動阻力減小3%。王家斌等[32]探究了轉向架和轉向架腔對高速列車氣動阻力得影響，指出轉向架腔占高速列車空氣總阻力的65%，且封閉轉向架腔之后相比轉向架完全裸露的情況，可減阻42%。黃莎等[33]研究了車輛底部結構對軌檢車氣動阻力的影響，結果表明罩起車體底部和增加轉向架裙板能夠分別實現車輛阻力減小17.9%和20.8%。肖程歡等[34]研究了高速列車受電弓平臺下沉高度受電弓和列車氣動性能的影響，結果表明平臺高度下沉達500 mm時，受電弓阻力和升力分別減小35.3%和110.3%，整車阻力和升力分別減小2.9%和21.4%。高廣軍等[35]研究了轉向架位置對高速列車氣動性能影響，并指出轉向架位置向后移動1 m到2 m時，頭車的氣動阻力分別減小7.75%和10.56%，三車總阻力分別減小5.57%和6.58%。牛紀強等[36]研究了高速列車6種不同外風擋結構對列車氣動性能的影響，并指出全包風擋相比各種形式非全包風擋能夠明顯減小列車阻力。此外，如圖15所示，牛紀強等[37]以CRH2型高速列車為原型車研究了排障器形式對高速列車氣動性能影響，結果表明內斜式障礙物偏轉器可使每輛車的阻力顯著降低，幅度降低高達9.59%。

圖15 兩種不同排障器類型的列車模型(C1：外凸式排障器；C2：內斜式排障器)Fig. 15 Train model with two types of obstacle deflectors(C1:salient obstacle deflector；C2: internal oblique-type obstacle deflector)

唐明贊等[38]研究高速列車外風擋與車體外表面之間的安裝間距對列車氣動性能的影響，研究發現安裝間距對風擋部分側向力影響較大，而對阻力和升力影響較小。馬夢林等[39]利用風洞試驗對高速列車空調部位阻力進行研究，優化空調導流罩達到了頭車氣動阻力減小26%的效果。何正凱[40]采用對改變轉向架部位隔墻位置、添加底部擋板，優化受電弓導流罩形狀等方法，組合得優化方案較原型高速列車減阻率達20.3%。楊志剛等[41]采用計算流體力學及超拉丁立方抽樣試驗設計方法，研究了底部結構參數對高速列車氣動阻力的影響規律，指出底部結構參數對于三車總阻力、頭、中、尾各節車氣動阻力的影響分別為27%、37%、39%和22%，三車氣動阻力對裙板高度、排障器厚度、艙前緣倒角最為敏感。劉鳳華[42]采用風洞試驗方法針對高速列車轉向架區域、車端連接區域及車底排障器導流罩區域進行優化設計與方案對比，得出轉向架區域的空間越小，減阻效果越好，若增加底部導流板可減阻3.4%，增加外風擋可減阻1.9%；排障器導流罩距軌面高度越小、后端距離轉向架空腔越近，減阻效果越好，可減阻2.1%。馬勝全等[43]對中國標準動車組進行了3種轉向架裙板減阻方案、5種排障器導流罩減阻方案、4種車廂連接處外風擋減阻方案進行風洞試驗，結果表明裙板最優方案能使整車減阻10.2%；排障器導流罩最優方案能使整車減阻2.1%，外風擋最優方案能使整車減阻1.8%。

根據局部結構優化減阻部位不同以及減阻優化角度的不同，對本部分局部結構優化減阻現狀進行匯總如表2所示，從表中可以看出，針對高速列車局部結構優化的減阻研究主要圍繞車底轉向架區域的外露結構的包裹方式和轉向架艙體的形狀大小、受電弓安裝平臺結構和受電弓導流罩結構、空調導流罩結構、車廂連接處外風擋結構以及排障器端部導流罩結構和位置優化等方面展開，并取得了較優的減阻效果。整體來看，圍繞車體局部結構的減阻優化主要是通過對局部結構的外露部分進行導流罩包裹以增加局部區域的流線化和平順化程度，從而有效避免大量外露非流線型結構對高速流動空氣的擾動，減阻較效果明顯，在下一代更高速列車減阻中的應用前景較廣。

表2 高速列車車體局部結構優化減阻技術研究匯總Table 2 Summary of researches on drag reduction technologies for local structure optimizations of high-speed trains

4 高速列車新型減阻技術發展

在鐵路列車氣動減阻研究過程中，隨著計算技術與優化理論的發展，大批學者致力于高速列車頭型設計與局部結構優化的研究以達到減阻降噪的目的[44]，取得了一系列實質性的研究成果，并在工程實際中得到廣泛應用，大大降低了列車運行阻力。然而傳統的通過改變外形來提高列車氣動性能方法已經日趨成熟，通過有限部位結構的流線型優化，帶來的減阻效果并不明顯。同時受制造工藝和設計要求不斷提高的限制，傳統流線型頭型優化設計等方法逐步顯示出其局限性，很難再有新的重大突破。因此，高速列車設計相關研究者也逐漸從傳統流線型優化設計減阻，轉變到主動和微結構流動控制減阻。

湍流控制減阻技術是近年來國際上比較活躍的研究領域，其在航空航天等領域得到了廣泛應用，成果豐碩。如何通過外部流場的精細化控制，改變局部流動，減小高速列車氣動阻力，對克服由于空氣動力效應帶來的提速瓶頸，節約運行能耗具有較高的基礎研究意義和重要的工程應用價值。然而，該方法在高速鐵路方面的應用還處于探索階段。湍流流場控制減阻方法近年來才逐步引起鐵路行業的重視，以彌補傳統外形優化減阻方法的不足和局限性，具有相當大的潛力。湍流流場控制技術通過對流場的特殊流動區域進行調控，以達到改善流場品質、減小氣動阻力等目的。主要分為被動控制和主動控制兩種方式。被動控制主要通過合理設計結構的外形，在物體表面添加具有良好氣動外形的擾流裝置，或更改物體表面屬性等方式實現。大量研究表明，被動控制技術在航空、航天等領域的應用廣泛且較成熟，但在高速鐵路方面還處于探索階段。主動控制則是通過在流場中施加適當地擾動模式，并與流動的內在模式相互耦合來實現對流動的控制，其優勢在于它能在需要的時間和部位出現，通過局部能量輸入，對局部或全局的流場進行改變，從而使結構的流場能顯著改善。

未來列車減阻技術主要方向為主動控制減阻和仿生氣動減阻，然而這些方法仍然處于概念研究階段，距離實際應用還有一段距離。其中部分未來減阻技術方法如下：

1） 高速列車抽吸氣減阻技術。通過改變列車造型改善空氣阻力值的方法已經非常成熟，且一味通過加大細長改善列車氣動性能會增加列車頭、尾部許多不可利用的空間，這與節能、減排的宗旨背道而馳。如圖16所示，高速列車抽吸氣減阻技術通過在車體不同位置設置抽吸氣孔[45]，對車體邊界層轉捩、分離、渦流等特殊流動現象進行調控，改變局部流動以減小阻力，研究抽吸氣減阻機理及減阻效果，為高速列車氣動減阻提供參考。王瀟雅[46]對基于壁面流動控制的高速列車主動減阻技術進行研究，研究設置吸/吹氣風擋的列車阻力特性。結果表明：當三節車編組的列車的兩處風擋設置為吸/吹氣口，列車阻力發生顯著變化。在相同的列車運行狀態下，風擋處給定相同的速度大小，吸氣風擋時列車阻力增加，吹氣風擋時列車阻力減小，且吹氣風擋對列車阻力的影響明顯大于吸氣風擋對列車阻力的影響，隨著吹氣速度由0增至10 m/s，整車阻力減小幅度比較大，約20%，而當風擋吹氣速度由10 m/s變化到20 m/s時，整車阻力基本恒定不變。

圖16 列車頭車抽吸氣孔設置Fig. 16 Layout of suction holes on the head carriage of a high-speed train

2） 凸包非光滑表面的高速列車減阻技術。由于高速列車的快速發展，對非光滑減阻技術在高速列車運用的研究雛形漸起。通過在列車車體頭部和尾部加設如圖17所示的凸包以改變車體邊界層的湍流特性，經仿真分析表明該方法可以起到減阻、降噪的效果，進而提高列車運營經濟性和乘坐舒適性[47]。孫朋朋[48]對三編組高速列車仿生非光滑表面氣動減阻技術進行研究，將不同類型參數的非光滑單元體覆蓋在高速列車的車頭部位，結果表明凸包非光滑表面最大減阻率可達3.47%。

圖17 高速列車凸包表面模型Fig. 17 Convex hulls on the high-speed train surface

3）列車球窩非光滑表面減阻技術。圖18所示的球窩非光滑表面減阻技術也屬于非光滑減阻降噪技術在高速列車中的研究方向[49]。受自然界蜣螂體表結構啟發，設計球窩非光滑表面應用于高速列車表面。球窩非光滑表面能有效減少黏性阻力，并體現出積極減阻效果。孫朋朋[48]研究發現凹坑非光滑表面最大減阻率可達4.3%。

圖18 高速列車表面球窩幾何模型Fig. 18 Ball sockets on the high-speed train surface

4）列車表面V型微結構溝槽減阻技術[50]。關于微結構表面的研究可以追溯到20世紀70年代，在此之前，人們普遍認為光滑平面阻力最小，直到NASA蘭利研究中心發現圖19所示的順流向的V型溝槽微結構表面具有一定的減阻效果，對微結構表面的減阻性能研究從此展開。近年來，隨著高速鐵路的發展和車速提高，列車氣動減阻研究成為了重點，相關學者對微結構表面在高速列車上的應用進行了研究。以高速列車為研究對象，將V型溝槽運用在高速列車表面，通過數值模擬的方法得到了一定的減阻效果。

圖19 溝槽截圖Fig. 19 Cross-section diagram of riblets

5）等離子體流動減阻技術[51]。等離子體流動控制是一種基于“等離子體氣動激勵”的主動流動控制技術，在抑制氣流邊界層分離和改善氣動阻力方面具有良好的應用前景。在等離子體激勵裝置中，沿面介質阻擋放電裝置因結構簡單、魯棒性好、響應時間快、能量消耗低等優點而受到較多關注。典型的沿面介質阻擋放電裝置由兩個平行的電極和絕緣介質組成。其中一個電極放置于絕緣介質上方并暴露在空氣中，稱之為暴露電極；另一個電極內嵌于絕緣介質中，稱之為封裝電極。如圖20所示在施加高壓交流電后，形成一個指向封裝電極的壁面射流，能夠改善氣流邊界層，實現流動控制的效果。與傳統流動控制技術相比，表面介質阻擋放電具有無運動部件、響應迅速和體積小等眾多優點。

圖20 列車壓差阻力形成及抑制原理圖Fig. 20 Schematics of pressure drag formation and inhibition

6）基于仿生學的受電弓表面設計技術。徐志龍等[52]基于仿生學思想將高速列車受電弓桿件的光滑表面設計成如圖21所示的螺紋型非光滑結構，以探究受電弓桿件的減阻方法，結果表明在速度等級為350 km/h式，螺距和螺紋直徑參數一定時，凸陷螺紋型桿件的減阻降噪效果要優于凹槽螺紋型結構，凹槽螺紋型桿件的最優減阻效果可實現單個桿件的減阻率達3%。

圖21 仿生桿件模型（左：凹槽螺紋型，右：凸陷螺紋型）Fig. 21 Bionic rod models (left: groove thread type; right:convex thread type)

相比現有工程實際中應用較多的列車外形平順化和流線化設計的減阻思路，新型氣動減阻技術主要圍繞對列車近體區流場的主動和被動干預展開，其中主動流動干預包括通過列車表面吹吸氣或表面電極放電來抑制列車近體區流場中較大的流動分離等達到減阻目的；被動流動干預主要是基于仿生學，將自然界流線型較好、運動速度較快的生物體表面的微觀結構應用到列車表面，以改變流體邊界層區域流動，實現減阻。

綜合來看，這些新型減阻技術雖然為列車氣動減阻技術的研究提供了新的研究思路和方向，但是相比工程應用較廣的車體結構平順化和流線化設計的減阻技術，部分新型減阻技術不僅工藝復雜、成本高，現階段制造工藝難以全面將其推廣到列車實際工程應用中，而且減阻效果有限，因此目前只停留在概念研究階段。

5 我國更高速列車減阻技術展望與建議

目前高速列車減阻技術研究一方面是圍繞列車頭部流線型設計及車體整體平順化展開，另一方面也涉及到主動流動控制和表面仿生微結構流動控制的研究。但由于第二類中部分新型減阻技術工程可行性較差，對高速列車制造技術要求更高，需要更多新的輔助技術完成并且減阻效果有限，所以國外目前在針對下一代更高速列車減阻技術的研究中，仍以可行性較高的第一類減阻技術為基礎深入展開，而第二類新型減阻技術并未在高速列車實際工程設計中并沒有得到應用，而只是停留在理論概念研究階段。

因此，本文在充分考慮各類減阻技術的工程可行性、減阻效果以及制造工藝成本等問題的前提下，進一步結合國外下一代更高速列車氣動減阻技術的研究和我國下一代高速列車的更高速、更安全、更經濟環保的設計目標，對我國下一代更高速列車氣動減阻技術提出如下幾方面展望建議：

1） 頭尾部區域流線型結構優化設計。通過該區域結構流線化設計，控制流經該區域的氣流結構，實現氣流貼體流動，尤其避免尾部因尾流中較明顯的流動分離，在尾部引起較大負壓區。同時，在工程允許前提下，可在該區域適當加入表面吹吸氣結構來進一步抑制流動分離的產生。

2） 車體底部轉向架區域全包裹設計。通過在車底轉向架區域加設裙板和腹板組合結構，全面實現轉向架區域非必要外露結構的全面平順化密封設計，盡可能避免因底部外露結構引起流動分離而產生的氣動阻力。同時為便于后期轉向架區域檢測維修，裙板和腹板可采用可拆卸式組合設計結構。

3） 車廂連接部位的全包裹設計。在車廂連接部位采用全包裹式平順化設計，可以有效避免氣流進入車廂連接間隙區域而引起列車阻力的增大。同樣考慮到車廂連接處結構的檢測和維修，建議采用可拆卸式全包風擋結構。

4） 車體頂部受電弓區域結構優化設計。實現對降弓狀態受電弓的全封閉處理，降低受電弓基座高度，保證降弓狀態的受電弓低于車體頂面高度，同時設置可控制式移動車頂罩殼結構，實現對降弓狀態受電弓的主動封閉；優化受電弓區域流線型結構，減小氣流對升弓狀態受電弓的沖擊。

5） 長期外露結構的表面仿生微結構優化處理。列車頭尾部流線型區域可適當結合非光滑凸起或凹陷微結構處理，更進一步避免傳統流線型優化處理無法解決的流動分離問題；受電弓結構多由類桿件結構組成，可在保證結構強度前提下，對受電弓的桿件結構進行流線化設計，或者采用V型槽等形式的凹陷槽結構對受電弓桿件結構進行處理，以避免光滑桿件結構引起的較強的流動分離。

6 結 語

氣動減阻技術研究是我國運營速度400+km/h的更高速列車研發過程中必須解決的關鍵問題，合理有效的氣動外形設計是保證我國下一代高速列車更高速、更安全、更經濟環保目標全面實現的前提。因此，本文首先調研總結了國外下一代更高速列車氣動減阻技術的研究現狀，并從工程應用研究較多的氣動外形流線化和平順化設計的研究以及目前處于概念研究階段的新型主被動列車近體區流動干預控制減阻的研究兩方面對我國高速列車減阻技術的研究現狀進行總結與分析。

最后在充分考慮各類氣動減阻技術的工程可行性、減阻效果以及制造工藝成本等問題的前提下，進一步結合國外下一代更高速列車氣動減阻技術的相關研究，為我國400+km/h的更高速列車氣動減阻設計提供了可行性較高的合理的建議與展望。