近年來，我國的高鐵取得了長足發展，以至于開始在海外的競爭中也開始聲譽顯赫。對于散仙這么一個小老百姓而言，可能最直接的感受就是，從成都到蘭州特快列車需要19小時左右，現在高鐵僅需7小時左右。我們所見到高鐵列車車頭大多是近似尖頭狀的，很顯然，這是為了列車頭有更好的外形氣動性能，以降低高速行駛時迎面的垂直于截面的滯止壓力，減小列車風阻。外形氣動性能分析是高鐵列車頭外形設計必經的步驟之一，那么，列車頭的風阻到底能達到一個什么樣的程度呢？

以往對于列車、汽車、飛機等進行外形氣動分析，依靠的主要是按比例縮小的風洞模型試驗。簡單地說，就是按一定比例做一個產品的縮小模型，將它靜置于一個高速空氣流動的環境，風向與模型車頭的方向相逆，以模擬產品在真實環境中行進的情況，并從中測算風阻等數據。目前，很多重要交通、國防裝備依然要進行風洞試驗。央視紀錄片《超級工程》曾出現CRRC動車組縮小比例模型風洞試驗的畫面。

CRRC風洞試驗（圖片來自紀錄片《超級工程》，侵權請聯系刪除）

 

但隨著20世紀60年代起計算流體力學理論（CFD）和計算機的發展，CFD相關軟件在這些裝備的氣動分析方面起著越來越重要的作用。人們通過質量守恒、動量守恒和能量守恒三大方程為世界上大多數物理、化學現象建立了離散化的數學模型并不斷完善，而計算機技術的發展有支持了復雜幾何和現象的大規模運算。加上對于高速列車、大型飛機的風洞試驗成本極高、周期長，而CFD技術則更有效率上的優勢。有分析稱，目前90%的風洞試驗已被CFD模擬所取代。所以，一個算法完善的CFD工具在計算列車風阻上已不存在問題。

這里散仙使用Star-CCM+進行列車風洞系統建模和CFD模擬。首先依照國內比較常見的A型高鐵列車頭建模，列車截面寬3m，高3.8m，總長約50m，列車頭型按常見的和諧號建模。車底和其余部位做了幾何簡化。并置于一個長60m、寬15m、高10m的長方體風洞中。按直線行進時速300km計，邊界條件設置為入口83.3m/s，計算模型使用穩態、k-ε湍流模型、分離流等模型。網格基本尺寸為0.2m；邊界層取三層，邊界層的網格生長率為1.3，總厚度取網格基本尺寸的10%。待各殘差趨于穩定后得到阻力的圖像和車頭處的速度矢量圖如下。

可以看到，對于這種速度和車型，氣動阻力在大約25000到26300N之間。本算例如換算為列車單位基本阻力，則大約在250到263N/每噸之間，對于常見高鐵列車型號來說，也處于合理的范圍。而這僅僅為50m長的列車的風阻，實際列車往往長度在此之上，風阻也會更大。而且列車速度越快，面臨的風阻越大，且成平方增長。有研究顯示，當列車速度達到350km/h以上時，總阻力的90%以上來自空氣阻力，也就是說，列車牽引動力的90%以上都用來對抗空氣阻力了。因此，鑒于列車在高速時所受的空氣阻力十分巨大，列車的氣動外形設計也就尤為重要。優良的氣動外形設計在列車的速度和經濟性方面起著比較重要的作用。列車的頭型往往被設計為尖銳細長的形狀，有利于減小阻力系數。

那么是否越尖越長，列車的氣動阻力就會無限制地越來越小，氣動性能就會無限制地提高呢？日本的車企和鐵路公司曾經就做過一件非常酷炫的事情。下圖這個十分前衛的車頭是日本在1997年在山陽新干線就達到了最高運營時速300km/h得N500型列車。這車頭帥得很像日本動漫里火車俠的情節。

那么這么酷炫的列車，氣動性能究竟有多好呢？散仙頗為好奇，于是也用類似的方法對相同長度的該車型進行氣動模擬，邊界條件、網格設置和計算模型設置等保持不變。結果卻出乎我的意料：雖然和前面模型的速度矢量圖相比，這個更尖的車頭，車頭前部的滯止區（風速為0的區域）的確小了一些，但風阻仍在26000N左右，氣動性能看起來并沒有什么改善。

 

 

這究竟是什么問題呢？實際上，尖的車頭雖然一定程度上抑制了氣流的剝離和亂流；但同時車頭越尖越長，由于邊界效應，也會給車頭帶來較大的粘滯阻力。而早期的隧道截面較小，一昧地采用更尖的車頭，會造成音爆問題和微壓氣波。而除此之外，N500型在日本的最終被替代，還有一些原因，包括駕駛員的視野無法保障、車頭空間利用率低下、列車舒適性、全動車編組運行時噪聲過大等。列車的空氣動力學分析是一個復雜的過程，需綜合考慮列車表面壓力、會車壓力和隧道壓力等一系列問題，而并非如想象當中車頭越尖越好而已。最終的的列車外形設計，是通過多次的仿真分析，選擇分析結果良好的案例進行風動實驗，綜合計算后產生的。

高速列車的氣動設計過程啟示了一個亙古不變的道理：在生產生活中，應該一切以真實的科學論證為導向，不應盲目追求所謂的“酷炫”；安全、實用、便捷始終是一切產品設計的首要要求。