審核專家：宋占勛
車輛工程博士
如果說要選一張中國名片向全世界展示，那么高鐵無疑是我們最好的名片之一。近些年，不僅祖國大地上的高鐵越建越多，越來越快，我們還為世界貢獻了中國力量、中國智慧。國慶節之際，我們就來了解下高鐵列車里藏著的門道兒。
說到高鐵，人們總是忘不了它超高的顏值，高鐵的美學造詣也使它收獲了不少粉絲。高鐵的顏值不僅在于靚麗的外觀色彩，更重要的是車體的造型設計，而最為重要的是車頭的流線型設計。
來源｜搜狐 高鐵四方
高鐵列車有個別稱，叫子彈頭火車，所謂子彈頭，就是流線型的車頭，這個名稱的來源也是因為它的頭部造型酷似子彈，與方方正正的普通火車相比，高鐵多了一種線條美。但將高鐵的頭部設計成子彈頭形狀，并不只是為了顏值，這更是設計師為了解決一些麻煩而創造的卓越智慧。
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不容小覷的空氣
可以說，在設計高速列車時，設計師的很大一部分精力就是耗在了跟空氣“斗智斗勇”上，因為列車高速運行時，遇到的最大對手之一，就是空氣動力。
列車在高速運行時，空氣動力學性能是一個非常重要的考核指標。空氣壓力的不平衡將影響列車運行的平穩性，引起列車蛇形運動，嚴重時則導致列車脫軌，引發生命安全事故。
空氣動力的另一個方面就是空氣阻力，列車速度越快，它在單位時間內需要“推開”空氣的量就越多。當列車的速度大小達到200公里每時以上，空氣阻力可以占列車行駛受到的全部阻力的75%以上，一場與空氣阻力的博弈必不可免。
空氣阻力其實也是一個大家族，高鐵運行時受到空氣阻力也不止一種。不過，其中最主要的要屬壓差阻力。
當列車快速前進一段距離，車頭前方的空氣瞬間被擠壓，來不及向周圍散開，于是形成了一片高壓區域。
類似地，車尾在快速駛離原來位置時，周圍空氣還沒來得及填入車尾原來占據的空間，于是在這里氣壓比周圍更低，形成一片低壓區域。
于是，在車頭和車尾之間形成了壓強差，高壓區域將車向后推，低壓區域將車往回拉，列車整體就受到一個從高壓區指向低壓區的力，即壓差阻力。這個力正好與列車前進方向相反，阻礙列車前進。
整車周圍壓強分布
來源｜鐵道科學與工程學報：高速列車頭車主型線變化對列車周圍流場影響研究
那怎么減小壓差阻力呢？
我們知道壓差阻力是由于被車頭擠壓的空氣來不及散開，車尾周圍的空氣來不及補充引起的，關鍵就在“來不及”三個字上。那么我們只需要讓車頭在一瞬間壓縮更少的空氣，同時讓車尾一次騰出更少的體積，方便周圍空氣迅速補充。
減小車頭與車尾的截面積是一個很好的方法。高鐵子彈頭一般的“長鼻子”和“長尾巴”兩端截面積非常小，靠近車身部分截面積緩慢增大，整體呈流線型。
這樣的設計可以在列車高速前進時讓車頭單位面積的空氣排開量減少，同時減少車尾后方單位面積的空氣填充量，讓車頭附近的氣壓上升變化率和車尾附近的氣壓下降變化率不明顯，減小壓差阻力。
不同類型車頭附近的壓強分布
來源｜鐵道學報：不同類型頭部外形列車軌側壓力變化規律分析與評估
除了壓差阻力，設計師還需要考慮由空氣粘性引起的作用在車體表面的摩擦阻力，以及車輛轉向架、車頂設備、門窗、車廂間鏈接風擋等車輛表面凹凸結構引起的干擾阻力。
空氣這個平日里常常被我們忽略的東西，不僅會給列車帶來空氣阻力，還會在一些特殊的場景形成讓人討厭的壓力波。
想必大家乘坐高鐵時一定遇到過這樣的情況，每當兩輛列車交會，車身就會發生不同程度的晃動或振動，往往還伴隨著噪聲，這是怎么回事呢？
在兩列車車頭交會的同時，車頭前方被壓縮的空氣也會匯聚在一起形成新的高壓區域。不同的是，相鄰兩鐵道之間距離并不是很遠，列車相遇后，兩車之間會形成一個狹長的空間，更不利于高壓空氣向四周散開，同時使能量更加集中。
兩車相遇時的被壓縮的空氣會激發出壓力波，在兩列車之間形成交替的高壓區和低壓區，并沿著列車之間的空隙向外不斷傳播。
兩列車交會形成壓力波
來源｜中國科學院 力學研究所
就好比你鼓起嘴向外吹氣，口腔附近的高壓空氣很快會四散掉，難以形成向外傳播的聲波，你只能聽到風聲。但如果你吹一支中空的管子，管內就容易形成沿著管傳播的聲波，發出聲音，形成交替的高壓區域和低壓區域。
兩列交會的列車中間會形成一個更高的高壓區域，從而導致中間區域的高壓大于兩列車兩側的壓力，將會對列車形成一個橫向的壓力，鑒于列車與軌道的錐形接觸關系，從而引發列車晃動和振動，甚至“蛇形擺動”，對車體和鐵軌造成損傷，同時也可能引起車體異常振動或形成噪音。
無論從舒適的角度還是安全的角度，在高速列車設計階段一定要考慮到兩車交會時產生的壓力波，并盡可能減小它。
經計算機仿真和測試，人們發現又長又扁又寬的流線型車頭可以減小兩列車之間壓力波的幅值。
比起兩車交會，有一種情況更考驗列車，那就是隧道。對于高速列車來說，隧道可以說是最惡劣的工作狀況之一了。狹窄的隧道更不利于空氣散開，更有利于壓力波的產生和傳播。對于較長的隧道，壓力波會還反復作用在列車上。
當列車進入隧道，頭部的空氣突然受到擠壓，來不及從隧道口排出，因此頭部壓力會急劇升高，并在入口處產生壓縮波。
當車尾進入隧道，而列車后方部分的隧道空氣稀缺，周圍空氣來不及補充，壓力急劇降低，產生膨脹波。這種壓力之間的波動對列車造成不小沖擊，如果列車的氣密性較差而傳入車內，可能導致乘客耳鳴。
隧道中的壓力波
來源｜中國科學院 力學研究所
同樣，子彈頭形的車頭和車尾能分別減小高壓區和低壓區的分布范圍與壓強變化幅度，相對減弱隧道內被車頭和車尾各自激發出的壓縮波與膨脹波。另外，也需要合理地設計車廂結構，使其能夠承受足夠強的壓力波。
來源｜搜狐 高鐵四方
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反復的實驗
子彈頭的設計過程，不僅要以空氣動力學作為基本原理，更要反復地進行仿真模擬與實驗。車頭與車體周圍的氣流、氣動力等相關參數之間如何達到最優方案，經過幾千次幾萬次的計算、修改、實踐才能摸索出來。
列車CRH380A研發時，甚至進行了超過300個工況的空氣動力學仿真計算才選出合適的車頭，然后送到風洞試驗基地進行試驗。
高速列車模型風洞試驗
來源｜中央電視臺 超級工程
因此，一個完美的子彈頭，不僅要外貌出眾，上得了臺面，還要減小列車運行阻力、減小列車交會與進隧道時產生的壓力波以及抑制運行時產生的噪聲，它既要靠“臉“折服眾人，也用絕對的實力征服眾人。
來源：數字北京科學中心
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來源： 中科院物理所
