自從在第一次工業革命中誕生以來，火車這種運力大速度快的交通工具已經陪伴了人類二百多年。使用的動力也從最早的蒸汽機，變成后面的內燃機，再到今天的電力，“火車”和“火”逐漸失去了聯系。

時速也從最初的幾十公里一步步提高到如今的三百多公里，磁懸浮的速度更是能到四百多。

如今，各國普遍把時速超過200公里的鐵路稱為高鐵。1964年，時速200公里的日本新干線通車，世界首條高鐵開始運營。

幾十年時間，中國后來居上。2024年，中國的高鐵里程達到了4.5萬公里，占世界總里程的三分之二以上。北京上海之間的京滬高鐵，設計時速更是達到了380公里，世界最快。

俗話說，火車跑得快全靠車頭帶。你有沒有發現，伴隨速度的提高，火車頭的外形也發生了翻天覆地的變化。

這是19世紀的火車。

這是20世紀的火車。

而這個，是日本的新干線。

這是中國的和諧號。

更新的，這是中國的復興號。

火車頭的外觀從強烈的肌肉感變得越來越流暢絲滑。

為什么會這樣呢？最直接的原因，就是隨著速度的提高，地上跑的列車也不得不像天上的飛機那樣，考慮讓人頭疼的空氣動力學問題。很低的速度行駛時，火車受到的空氣阻力相比機械阻力可以忽略。

但時速提高到300公里時，空氣阻力占總阻力的比值就上升到了85%，如果提高到400公里，這個比例更是會增加到驚人的90%。

換句話說，高鐵跑一趟用的電，絕大部分被空氣給吹跑了。那如何減小空氣阻力呢？

首先看物體受到的空氣阻力怎么算，它等于二分之空氣密度乘以流動速度的平方，再乘以阻力系數和物體迎風面積。空氣密度、流動速度和迎風面積都好理解，而且咱也沒啥好優化的，總不至于為了減小迎風面積把火車變窄變矮吧，乘客肯定不同意。這里面，最有優化空間的就是這個阻力系數。

這是流體力學領域一個著名的無因次變量，和物體的形狀及表面特征密切相關。尤其是形狀，比如在某個速度下，正方體的阻力系數可能是球體的兩倍多。

人們研究了很多種形狀的阻力系數，最后發現有一種形狀是阻力系數極小的，水滴形。

怪不得三體進攻地球時派的是水滴，原來是怕中途阻力太大拋錨了。

現在回過頭來看火車頭的變化，才發現它的形狀也在往水滴靠攏。可以說，高速的風，逐漸把火車頭吹成了水滴的形狀。

手殘up為了給大家直觀地感受一下水滴與正方形的阻力差別，斥巨資建了個風洞。

拆掉鼓風機的出風口，3D打印一個整流罩。

再打印個迎風面積相等的正方體和水滴，穿在兩條平行軸上，細線繞過整流罩將二者相連。卷上家里的透明桌布，風洞就建成了。

鼓風機開啟后，二者誰受的風阻大，誰就會被吹得向后跑，而風阻小的會被細線拉著迎風向前。開機。瞬間，正方體就被吹到了后面，而水滴形則由于風阻小被拉到了前方。

二者的阻力具體能相差多少倍，我這個簡易風洞恐怕測不準，便用流體仿真軟件進一步進行了CFD計算。

發現在不同的風速下，或者說在不同的雷諾數下，正方體阻力系數都達到水滴的幾十倍。

對比壓力場，水滴形的前后壓差明顯更小。相比正方體，水滴頭部滯止區域小，高壓區就小；

同時，氣流貼壁流動，尾部氣流分離減弱，后面低壓區也小。

進一步研究發現由正方體變成圓潤的水滴頭，阻力約下降至原來的1/4，而再加一個流線形的尾巴變成完整的水滴，阻力就降到了原來的1/20-1/30，可見水滴阻力小，是前方滯止區與后方尾流的綜合作用結果。

我仿真所用的這款軟件是天洑自研的國產流體仿真軟件AICFD，內置AI加速算法，CFD計算速度快，算得準，界面交互簡潔易學習，內置30天免費試用，即下即用，許可過期了，還可以參加活動申請免費延期。

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回到現實中真正的高鐵外形優化，它實際受到的約束要多很多，要考慮車廂容積、車廂之間的連接、車體表面的突出結構以及車輪等復雜因素的影響。

水滴雖好，但只能盡量靠近，卻很難達到。本期就到這兒啦，下期見！拜拜