高速动车组通过隧道时气动阻力特性研究综述

段修平

摘 要：列车速度提高带来的空气动力学问题成为亟待解决的问题，特别是列车在隧道内会车时，隧道内空气受到强烈挤压，产生剧烈的压力波动，可引起车窗玻璃受冲击而损坏。本文介绍了国内外学者通过动模型试验、实车试验和数值计算等方法对高速列车单车通过隧道和隧道内交会时的气动阻力特性的研究现状，并提出了未来研究高速动车组气动阻力的发展方向和研究内容。

关键词：高速动车组；气动阻力；隧道单车；隧道会车

随着高速动车组运营速度的不断提高，高速动车组进入隧道后，空气流动空间受到隧道壁面的限制及其空气的可压缩性，导致空气受到压缩，而且由于列车进入隧道产生膨胀波和压缩波的反复作用，导致列车车身所受的压力急剧变小、变大，列车所受压力波和气动阻力也急剧减小或增大。剧烈的压力波动会引起车窗玻璃受冲击而损坏[1]，严重影响列车运行安全性和乘坐舒适性[2]，气动阻力的增大会增加列车的能耗，降低列车运行的经济性[3]。因此，对列车通过隧道时的气动阻力进行研究，有助于探究列车隧道气动阻力变化规律，通过隧道基础设施建设和改进优化列车结构提供依据。

1 单车通过隧道工况

图1表示了列车驶入隧道时的压力分布图。高速列车驶入隧道后，车头压缩空气向前流动，可压缩的空气由于受到隧道壁面的限制导致空气急剧压缩产生压缩波；车尾驶入隧道后，车后放空间形成负压区，导致周围空气流向隧道内产生膨胀波。膨胀波和压缩波在隧道内往复传播导致车身周围的压力急剧变小、变大，空气流动复杂多变，使列车车身压力波和气动阻力随着列车与隧道不同的相对位置而不断变化。

研究表明：高速列车单车通过隧道时所受的气动阻力主要由压差阻力构成，列车的头车和尾车阻力的变化趋势与压力的变化趋势相同[4]。高速列车在隧道内运行时，列车压差阻力有时小于明线的压差阻力，有时大于明线的压差阻力，但摩擦阻力一直大于明线运行时的摩擦阻力；空气阻力与压差阻力两者的变化趋势几乎一致，压差阻力对列车空气阻力的影响远大于摩擦阻力对列车空气阻力的影响，压差阻力对列车空气阻力的变化起主导作用。

2 隧道内两车交会工况

图2表示了列车隧道内交会时的压力分布图。列车高速通过隧道时的气动阻力要比明线运行时的大得多，尤其列车在隧道内会车时，隧道内空气受到强烈挤压，产生剧烈的压力波动，以及隧道内由于两列车进入后产生的压缩波和膨胀波的反复影响，使高速列车在隧道会车时所受的气动阻力变化剧烈。列车在隧道内交会时，其阻力变化趋势与单车过隧道时相似；在隧道内交会时的车体表面压力要远远大于在明线上交会的情况，在隧道内交会对车体结构强度提出了更高的要求[5]。

高速动车组隧道内头头交会过程中，头车鼻锥压力降低，車体表面的压力减小。当列车头尾交会过程中，头车鼻锥压力增大，尾车鼻锥压力减小，空气阻力增大。当列车尾尾分离过程中，尾车鼻锥压力增大，空气阻力下降，车体周围的压力增大。高速动车组隧道内头头交会时，头车阻力出现很大的负值，即产生一个与速度方向相同的推力，尾车阻力增大。头尾交会过程中，头车的推力继续增加，尾车的阻力也急剧增大。尾尾分离时，头车阻力恢复正值，尾车产生较小的负值，即尾车产生与速度方向相同的推力；头车的阻力变化最大；头头交会与头尾交会的过程中，头尾车阻力变化比较大；交会完成前，头车表现为向前的推力，尾车阻力最大。在整个交会过程中，阻力均比其他时刻大得多。

3 结论

本文简要的介绍了国内高速动车组隧道内运行时气动阻力的特性和研究现状。随着我国高速铁路恢复350km/h的运营速度，未来必将涉及更高速度列车气动阻力的相关问题，对高速动车组隧道运行时的气动阻力进行研究，掌握列车隧道气动阻力变化规律，通过隧道改进和列车结构优化来降低气动阻力在高速动车组总阻力中的占比是高速动车组空气动力学研究的关键技术。

参考文献

[1]赵晶，李人宪，刘杰.高速列车隧道内等速会车时气动作用力的数值模拟[J].铁道学报.2010，32（4）：27-32.

[2] SCHWANITZ S， WITTKOWSKI M， ROLNY V， etal.Pressure variations on a train： where is the threshold to railway passenger discomfort[J]. Applied Ergonomics， 2013， 44（2） ： 200-209.

[3]张业，孙振旭，郭迪龙，杨国伟，尚克明.风挡缝宽对高速列车气动性能的影响[J].铁道学报，2017，39（3）：19-24.

[4]刘小燕，陈春俊，王亚楠.高速列车单车通过隧道压力波的研究[J].设计与研究.2014，12（41）：1-4.

[5]冯志鹏，张继业，张卫华.高速列车在隧道内和明线上交会时气动性能对比分析[J].2010，12（12）：1-5.