列车气动外形分析：车头越尖越好吗？

近年来，我国的高铁取得了长足发展，以至于开始在海外的竞争中也开始声誉显赫。对于散仙这么一个小老百姓而言，可能最直接的感受就是，从成都到兰州特快列车需要19小时左右，现在高铁仅需7小时左右。我们所见到高铁列车车头大多是近似尖头状的，很显然，这是为了列车头有更好的外形气动性能，以降低高速行驶时迎面的垂直于截面的滞止压力，减小列车风阻。外形气动性能分析是高铁列车头外形设计必经的步骤之一，那么，列车头的风阻到底能达到一个什么样的程度呢？

以往对于列车、汽车、飞机等进行外形气动分析，依靠的主要是按比例缩小的风洞模型试验。简单地说，就是按一定比例做一个产品的缩小模型，将它静置于一个高速空气流动的环境，风向与模型车头的方向相逆，以模拟产品在真实环境中行进的情况，并从中测算风阻等数据。目前，很多重要交通、国防装备依然要进行风洞试验。央视纪录片《超级工程》曾出现CRRC动车组缩小比例模型风洞试验的画面。

CRRC风洞试验（图片来自纪录片《超级工程》，侵权请联系删除）

 

但随着20世纪60年代起计算流体力学理论（CFD）和计算机的发展，CFD相关软件在这些装备的气动分析方面起着越来越重要的作用。人们通过质量守恒、动量守恒和能量守恒三大方程为世界上大多数物理、化学现象建立了离散化的数学模型并不断完善，而计算机技术的发展有支持了复杂几何和现象的大规模运算。加上对于高速列车、大型飞机的风洞试验成本极高、周期长，而CFD技术则更有效率上的优势。有分析称，目前90%的风洞试验已被CFD模拟所取代。所以，一个算法完善的CFD工具在计算列车风阻上已不存在问题。

这里散仙使用Star-CCM+进行列车风洞系统建模和CFD模拟。首先依照国内比较常见的A型高铁列车头建模，列车截面宽3m，高3.8m，总长约50m，列车头型按常见的和谐号建模。车底和其余部位做了几何简化。并置于一个长60m、宽15m、高10m的长方体风洞中。按直线行进时速300km计，边界条件设置为入口83.3m/s，计算模型使用稳态、k-ε湍流模型、分离流等模型。网格基本尺寸为0.2m；边界层取三层，边界层的网格生长率为1.3，总厚度取网格基本尺寸的10%。待各残差趋于稳定后得到阻力的图像和车头处的速度矢量图如下。

可以看到，对于这种速度和车型，气动阻力在大约25000到26300N之间。本算例如换算为列车单位基本阻力，则大约在250到263N/每吨之间，对于常见高铁列车型号来说，也处于合理的范围。而这仅仅为50m长的列车的风阻，实际列车往往长度在此之上，风阻也会更大。而且列车速度越快，面临的风阻越大，且成平方增长。有研究显示，当列车速度达到350km/h以上时，总阻力的90%以上来自空气阻力，也就是说，列车牵引动力的90%以上都用来对抗空气阻力了。因此，鉴于列车在高速时所受的空气阻力十分巨大，列车的气动外形设计也就尤为重要。优良的气动外形设计在列车的速度和经济性方面起着比较重要的作用。列车的头型往往被设计为尖锐细长的形状，有利于减小阻力系数。

那么是否越尖越长，列车的气动阻力就会无限制地越来越小，气动性能就会无限制地提高呢？日本的车企和铁路公司曾经就做过一件非常酷炫的事情。下图这个十分前卫的车头是日本在1997年在山阳新干线就达到了最高运营时速300km/h得N500型列车。这车头帅得很像日本动漫里火车侠的情节。

那么这么酷炫的列车，气动性能究竟有多好呢？散仙颇为好奇，于是也用类似的方法对相同长度的该车型进行气动模拟，边界条件、网格设置和计算模型设置等保持不变。结果却出乎我的意料：虽然和前面模型的速度矢量图相比，这个更尖的车头，车头前部的滞止区（风速为0的区域）的确小了一些，但风阻仍在26000N左右，气动性能看起来并没有什么改善。

 

 

这究竟是什么问题呢？实际上，尖的车头虽然一定程度上抑制了气流的剥离和乱流；但同时车头越尖越长，由于边界效应，也会给车头带来较大的粘滞阻力。而早期的隧道截面较小，一昧地采用更尖的车头，会造成音爆问题和微压气波。而除此之外，N500型在日本的最终被替代，还有一些原因，包括驾驶员的视野无法保障、车头空间利用率低下、列车舒适性、全动车编组运行时噪声过大等。列车的空气动力学分析是一个复杂的过程，需综合考虑列车表面压力、会车压力和隧道压力等一系列问题，而并非如想象当中车头越尖越好而已。最终的的列车外形设计，是通过多次的仿真分析，选择分析结果良好的案例进行风动实验，综合计算后产生的。

高速列车的气动设计过程启示了一个亘古不变的道理：在生产生活中，应该一切以真实的科学论证为导向，不应盲目追求所谓的“酷炫”；安全、实用、便捷始终是一切产品设计的首要要求。