近年來(lái)，我國(guó)的高鐵取得了長(zhǎng)足發(fā)展，以至于開(kāi)始在海外的競(jìng)爭(zhēng)中也開(kāi)始聲譽(yù)顯赫。對(duì)于散仙這么一個(gè)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(shí)左右，現(xiàn)在高鐵僅需7小時(shí)左右。我們所見(jiàn)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(dòng)性能，以降低高速行駛時(shí)迎面的垂直于截面的滯止壓力，減小列車風(fēng)阻。外形氣動(dòng)性能分析是高鐵列車頭外形設(shè)計(jì)必經(jīng)的步驟之一，那么，列車頭的風(fēng)阻到底能達(dá)到一個(gè)什么樣的程度呢？

以往對(duì)于列車、汽車、飛機(jī)等進(jìn)行外形氣動(dòng)分析，依靠的主要是按比例縮小的風(fēng)洞模型試驗(yàn)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是按一定比例做一個(gè)產(chǎn)品的縮小模型，將它靜置于一個(gè)高速空氣流動(dòng)的環(huán)境，風(fēng)向與模型車頭的方向相逆，以模擬產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境中行進(jìn)的情況，并從中測(cè)算風(fēng)阻等數(shù)據(jù)。目前，很多重要交通、國(guó)防裝備依然要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。央視紀(jì)錄片《超級(jí)工程》曾出現(xiàn)CRRC動(dòng)車組縮小比例模型風(fēng)洞試驗(yàn)的畫(huà)面。

CRRC風(fēng)洞試驗(yàn)（圖片來(lái)自紀(jì)錄片《超級(jí)工程》，侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除）

 

但隨著20世紀(jì)60年代起計(jì)算流體力學(xué)理論（CFD）和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，CFD相關(guān)軟件在這些裝備的氣動(dòng)分析方面起著越來(lái)越重要的作用。人們通過(guò)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒三大方程為世界上大多數(shù)物理、化學(xué)現(xiàn)象建立了離散化的數(shù)學(xué)模型并不斷完善，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展有支持了復(fù)雜幾何和現(xiàn)象的大規(guī)模運(yùn)算。加上對(duì)于高速列車、大型飛機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)成本極高、周期長(zhǎng)，而CFD技術(shù)則更有效率上的優(yōu)勢(shì)。有分析稱，目前90%的風(fēng)洞試驗(yàn)已被CFD模擬所取代。所以，一個(gè)算法完善的CFD工具在計(jì)算列車風(fēng)阻上已不存在問(wèn)題。

這里散仙使用Star-CCM+進(jìn)行列車風(fēng)洞系統(tǒng)建模和CFD模擬。首先依照國(guó)內(nèi)比較常見(jiàn)的A型高鐵列車頭建模，列車截面寬3m，高3.8m，總長(zhǎng)約50m，列車頭型按常見(jiàn)的和諧號(hào)建模。車底和其余部位做了幾何簡(jiǎn)化。并置于一個(gè)長(zhǎng)60m、寬15m、高10m的長(zhǎng)方體風(fēng)洞中。按直線行進(jìn)時(shí)速300km計(jì)，邊界條件設(shè)置為入口83.3m/s，計(jì)算模型使用穩(wěn)態(tài)、k-ε湍流模型、分離流等模型。網(wǎng)格基本尺寸為0.2m；邊界層取三層，邊界層的網(wǎng)格生長(zhǎng)率為1.3，總厚度取網(wǎng)格基本尺寸的10%。待各殘差趨于穩(wěn)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(duì)于這種速度和車型，氣動(dòng)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(duì)于常見(jiàn)高鐵列車型號(hào)來(lái)說(shuō)，也處于合理的范圍。而這僅僅為50m長(zhǎng)的列車的風(fēng)阻，實(shí)際列車往往長(zhǎng)度在此之上，風(fēng)阻也會(huì)更大。而且列車速度越快，面臨的風(fēng)阻越大，且成平方增長(zhǎng)。有研究顯示，當(dāng)列車速度達(dá)到350km/h以上時(shí)，總阻力的90%以上來(lái)自空氣阻力，也就是說(shuō)，列車牽引動(dòng)力的90%以上都用來(lái)對(duì)抗空氣阻力了。因此，鑒于列車在高速時(shí)所受的空氣阻力十分巨大，列車的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)也就尤為重要。優(yōu)良的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)在列車的速度和經(jīng)濟(jì)性方面起著比較重要的作用。列車的頭型往往被設(shè)計(jì)為尖銳細(xì)長(zhǎng)的形狀，有利于減小阻力系數(shù)。

那么是否越尖越長(zhǎng)，列車的氣動(dòng)阻力就會(huì)無(wú)限制地越來(lái)越小，氣動(dòng)性能就會(huì)無(wú)限制地提高呢？日本的車企和鐵路公司曾經(jīng)就做過(guò)一件非常酷炫的事情。下圖這個(gè)十分前衛(wèi)的車頭是日本在1997年在山陽(yáng)新干線就達(dá)到了最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速300km/h得N500型列車。這車頭帥得很像日本動(dòng)漫里火車俠的情節(jié)。

那么這么酷炫的列車，氣動(dòng)性能究竟有多好呢？散仙頗為好奇，于是也用類似的方法對(duì)相同長(zhǎng)度的該車型進(jìn)行氣動(dòng)模擬，邊界條件、網(wǎng)格設(shè)置和計(jì)算模型設(shè)置等保持不變。結(jié)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(gè)更尖的車頭，車頭前部的滯止區(qū)（風(fēng)速為0的區(qū)域）的確小了一些，但風(fēng)阻仍在26000N左右，氣動(dòng)性能看起來(lái)并沒(méi)有什么改善。

 

 

這究竟是什么問(wèn)題呢？實(shí)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(shí)車頭越尖越長(zhǎng)，由于邊界效應(yīng)，也會(huì)給車頭帶來(lái)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(huì)造成音爆問(wèn)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(wú)法保障、車頭空間利用率低下、列車舒適性、全動(dòng)車編組運(yùn)行時(shí)噪聲過(guò)大等。列車的空氣動(dòng)力學(xué)分析是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需綜合考慮列車表面壓力、會(huì)車壓力和隧道壓力等一系列問(wèn)題，而并非如想象當(dāng)中車頭越尖越好而已。最終的的列車外形設(shè)計(jì)，是通過(guò)多次的仿真分析，選擇分析結(jié)果良好的案例進(jìn)行風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，綜合計(jì)算后產(chǎn)生的。

高速列車的氣動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程啟示了一個(gè)亙古不變的道理：在生產(chǎn)生活中，應(yīng)該一切以真實(shí)的科學(xué)論證為導(dǎo)向，不應(yīng)盲目追求所謂的“酷炫”；安全、實(shí)用、便捷始終是一切產(chǎn)品設(shè)計(jì)的首要要求。