动车组设计高速列车空气动力学
高速铁路动车组横风空气动力学分析
特别策划高速铁路动车组横风空气动力学分析吴敬朴1，龚增进2，李红梅1，宣言1，许聪2（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道科学技术研究发展中心，北京100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司科技和信息化部，北京100081）摘要：横风对动车组行驶安全危害极大，通过建立8辆车编组的CRH2C型动车组、高架桥梁、高路堤空气动力学模型，根据《铁路技术管理规程（高速铁路部分）》大风限速规定，对20、25m/s风速下高架桥梁和高路堤区段的动车组空气动力学进行仿真计算，分析不同风向角对动车组空气动力学的影响。
结果表明：风向对动车组空气动力学响应的影响大于风速对动车组空气动力学响应的影响；随着风速增大，动车组受到的横向力、升力、点头力矩和摇头力矩呈现增大的趋势，25m/s风速动车组200km/h运行时比20m/s风速动车组300km/h运行时，在高架桥梁区段分别增大约1%、25%、28%、2%；在高路堤区段分别增大约16%、34%、35%、17%。
关键词：高速铁路；CRH2C；动车组；横风；空气动力学；高架桥梁；高路堤中图分类号：U270.11文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）10-0015-07 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.10.0150引言高速运行的列车在遇到强横风时，空气动力学性能会发生恶化，列车受到的空气阻力、升力和横向力迅速增加，列车的横向稳定性受到显著影响，严重时甚至可能导致列车脱轨、倾覆及人员伤亡。
根据研究，在特大桥梁、高架桥梁、高路堤等运行路段，环境风的作用更突出和复杂，列车脱轨、翻车的可能性大大增加。
为使列车安全地通过风区，避免发生列车脱轨、倾覆事故，国内外都开展了横风空气动力学响应以及相应的行车安全保障体系等研究。
基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（P2019T001）；中国铁道科学研究院集团有限公司科技研究开发计划项目（2020YJ200）第一作者：吴敬朴（1976—），男，副研究员。
动车的工作原理
动车的工作原理
动车（高速动车组）的工作原理是基于电力传动和气动力学原理。
动车通过电动机驱动车轮，并且使用电池或接触网供电，实现高速行驶。
动车的电力传动系统包括电机、变频器、齿轮传动和驱动轮等组件。
电机将电能转化为机械能，通过齿轮传动将动力传递给驱动轮，从而推动车体运动。
动车的气动力学原理涉及到空气动力学和风阻的影响。
由于动车高速行驶时会受到大量空气阻力，为了降低阻力，动车在设计中使用了流线型外形和降低阻力的车体设计。
此外，动车还通过使用可调节高度的悬挂系统和智能控制系统来保持稳定性和减少能耗。
除了电力传动和气动力学原理，动车还利用先进的控制系统进行智能控制和监测。
这些系统包括车载通信设备、列车控制系统、自动驾驶系统以及车载传感器等。
这些系统可以实现列车的自动保护、列车间通信和车辆运行状态监测等功能。
综上所述，动车的工作原理基于电力传动和气动力学原理，并辅以先进的控制系统。
通过这些原理和系统的综合作用，动车可以实现高速、平稳和高效的行驶。
高速列车的空气动力学优化
高速列车的空气动力学优化在当代交通领域，高速列车已经成为了人们日常出行的重要方式。
不仅仅解决了人们的出行需求，而且还标志着现代交通科技的发展与进步。
高速列车经过多年的技术研发与升级，其速度与稳定性已经达到了十分高的水平。
然而在高速列车运行的过程中，随着速度的提高，空气动力学问题和磁悬浮性能的改善成为了其中的瓶颈。
因此，对于高速列车的空气动力学问题进行优化是当前的研究热点之一。
本文将探讨高速列车的空气动力学优化。
高速列车是一种高速、运行平稳、承载能力高的交通工具。
由于高速列车存在着较高的速度和对空气力的作用，空气动力学在高速列车的设计和运行中十分重要。
空气动力学是一门研究流体（如空气、水等）运动及其相互作用的学科，在现代工程学和科技学领域中有着广泛的应用。
空气动力学优化可以实现对高速列车的全面升级，提高其运行安全性和效率。
空气动力学优化主要分为以下几个方面。
第一个方面是降低高速列车的空气阻力。
空气阻力是高速列车面临的一个重要的空气动力学问题。
当高速列车行驶在高速场中时，由于空气的黏性等因素，会对列车产生阻力，从而影响列车的运行。
因此，降低高速列车的空气阻力是降低列车能耗和提高效率的一个重要方法。
其中一个解决方法是采用减阻设计。
在列车外形的设计中，减少阻力是优化列车空气动力学的关键。
一些研究者通过数值仿真和实验验证探究了不同设计参数对列车阻力的影响，通过对列车表面形态的改进减小阻力，进而提高列车的速度和效率。
第二个方面是提高高速列车的平稳性。
当高速列车行驶在高速场中时，气动力的变化会影响列车的稳定性。
由于高速列车的运行速度比较快，当车体发生少量的扭转或者俯仰时，都会对列车的运行产生影响。
因此，提高高速列车的平稳性是优化空气动力学的重要方面。
在列车设计时需要结合控制系统等方面来进行综合考虑，进而达到平稳运动的目的。
第三个方面是改善高速列车的降噪性能。
当列车的速度提高时，列车和空气之间相互作用的力增大，从而产生了噪声污染。
高铁列车的空气动力学设计
高铁列车的空气动力学设计一、引言随着科技的发展，高铁列车成为了现代交通运输中不可或缺的部分。
高铁列车的速度快、舒适度高、安全性好等特点备受人们的青睐，然而，高速行驶下的空气动力学效应也极大影响了高铁列车的使用效果。
为此，本文将深入探讨高铁列车的空气动力学设计，以期更好地改善高铁列车的运行性能和乘客的舒适体验。
二、高铁列车的基本介绍高铁列车作为一种高速列车，其运行速度可以达到每小时350公里以上。
这种列车的特点为：沿线高速、低能耗、高效率、高安全性和高舒适性。
高铁列车的制造材料采用轻合金等特殊金属和高温合金，机械结构采用纳米材料，并配以先进的液压系统和先进的电子系统保障其复杂、高精度的运转。
三、高铁列车的空气动力学空气动力学是一门研究空气在运动学效应下的力学和热力学学问，对于高铁列车来说，空气动力学的研究至关重要。
随着高铁列车运行速度的不断提高，风阻和气动噪声问题也变得越来越严重。
空气动力学设计在高铁列车研发过程中发挥着极为重要的作用，它的目的在于降低风阻和气动噪声，同时保证高铁列车的稳定性和行驶的舒适性。
四、高铁列车的空气动力学设计1. 高铁列车的外形设计在设计高铁列车时，选择外形标准化的流线型设计可以减少风阻，提高列车的耐风性。
高铁列车的前端通常采用鱼鳞式开裂头设计，不仅降低了风阻，还将暴雨雨水引离车体，改善了能见度和乘客的舒适体验。
2. 高铁列车的车身结构设计高铁列车的车身结构设计也是很重要的一部分，它需要采用先进的材料和结构，满足高速运动的要求。
车身结构设计需要考虑列车运动时产生的气动力、气动噪声和振动等问题。
采用合适的车身结构可以减少风阻、气动噪声和振动，从而提高高铁列车的运行效率和乘客的舒适体验。
3. 高铁列车的内部空气动力学设计高铁列车的内部空气动力学设计包括车厢内部通风设计和空气流动设计。
通风设计可以提高车厢空气的新鲜度，减少异味和污染物的浓度，提高乘客对列车的舒适感。
空气流动设计可以通过适当的风向、风速、湿度和温度等因素来调节风流，减轻乘客在乘坐列车时感受到的空气阻力。
高速列车空气动力学研究
高速列车空气动力学研究一、引言高速列车的空气动力学研究是基础工程学科领域中一个非常重要的研究方向。
目前，随着我国高速铁路的全面发展，高速列车的空气动力学问题也逐渐成为了学术界关注的热门话题。
本文将从基本概念、研究方法、实验结果等多个方面，对高速列车空气动力学研究进行深入探讨。
二、高速列车空气动力学基本概念高速列车空气动力学研究，是通过对高速列车在移动过程中，空气流动规律和各种影响因素进行计算机模拟和实验测试，来探究高速列车在空气环境中的行驶特性及其相关问题的学科。
在完成空气动力学研究之前，必须了解以下几个基本概念:1. 高速列车：指可以在600-800km/h的时速范围内运行的列车类型，如CRH时速——高速动车组等。
2. 空气动力学：是研究流体(如空气)在物体表面产生的压力、力和运动状态等方面的学科领域，属于流体力学的范畴。
3. 空气动力学力：是指空气在物体表面产生的静压力、动压力及粘性力对物体的作用力。
三、高速列车空气动力学研究方法高速列车空气动力学研究方法可分为两类：数值模拟和实验测试。
1. 数值模拟：数值模拟通常采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法，通过计算机模拟高速列车在空气中行驶时的流场分布和流动状态等参数，从而得出高速列车的空气动力学特性。
数值模拟方法相比实验测试来说，有明显的优势，如操作简单、费用较低、数据分析方便、仿真效果可视化等。
但也有一些缺陷，如假设过于理想与简单，无法考虑到复杂的小尺度压力和紊流效应等。
2. 实验测试：实验测试主要分为两种方式：静态试验和动态试验。
静态试验是通过研究高速列车在静止状态下受到的空气阻力等参数，来推算高速列车在高速行驶状态下的空气动力学情况。
动态试验通常采用风洞实验或者实际铁路线实验，通过数据采集和测量的手段，获得高速列车在不同速度下的气动力特性数据。
四、高速列车空气动力学实验结果高速列车的空气动力学实验结果，主要体现在下列几个方面：1. 高速列车的阻力特性：高速列车在高速行驶过程中，其阻力大小和分布规律将直接影响到列车的牵引功率和能耗。
高速列车的空气动力学性能研究及优化
高速列车的空气动力学性能研究及优化随着科技的发展，高速列车已经成为现代交通的主要代表之一。
高速列车在运行的过程中，需要经历各种复杂的力学问题，其中空气动力学性能的优化就是其中之一。
本文将围绕这个主题进行探讨和研究。
一、高速列车的运行原理在对高速列车的空气动力学性能进行研究之前，我们需要了解高速列车的运行原理和主要参数。
高速列车是一种高速运输工具，它主要通过轮轨的方式进行移动。
轨道是高速列车的基础设施，其具有一定的弹性和平滑性，可以承受高速列车的运行。
高速列车的运行速度一般在300-500km/h之间，需要具备非常优秀的动力系统和制动系统。
主要参数包括：列车车长、车高、车宽、外形、空气动力学和制动性能、安全装置、载客量、速度等。
二、高速列车的空气动力学性能空气动力学性能是指高速列车在运行的过程中所受到的空气力。
空气力是指由空气对高速列车表面所产生的压强、阻力、升力和侧向力等。
这些力量将对高速列车的性能和运行产生非常重要的影响。
其中，阻力是高速列车所受到的最重要的空气力，它决定了列车的最大速度。
阻力来源主要有三种：摩擦阻力、空气阻力和惯性阻力。
其中，空气阻力是最主要的，因为其与速度的平方成正比。
三、高速列车空气动力学性能的优化方法为了提高高速列车的空气动力学性能，需要采取一系列的优化方法。
这些方法包括：1、优化列车外形列车的外形是影响列车空气动力学性能的一个非常重要的因素。
因此，优化列车的外形可以有效地降低列车的风阻，提高列车的空气动力学性能。
一般来说，合理规划车身流线型外形、减小车身折角、减小车底距离地面高度、减小车宽和车顶高度，都是有效的优化手段。
2、采用降阻方案为了降低列车受到的空气阻力，可以采用多种不同的降阻方案。
目前主流的方法包括：外形改进、吸气装置、混合动力、铰接式车体、活动式车体、气动型车体等。
3、提高列车的抗风稳定性为了提高列车在高速列车的运行中的抗风稳定性，可以在车身上增加一些非常细微的附加装置。
高速铁路空气动力学性能计算及分析
高速铁路空气动力学性能计算及分析随着中国高铁建设进入全面实施阶段，高速铁路交通成为了人们出行的主要选择之一。
对于高铁列车来说，安全和稳定性是最重要的考虑因素。
而在起飞和着陆时，飞机需要考虑到空气动力学性能的影响。
同样地，对高速铁路列车的空气动力学性能进行计算和分析也是非常重要的。
高速动车组列车的空气动力学性能主要受到列车前端结构的影响。
前端结构的设计，不仅会影响列车空气阻力的大小，还会对列车运行过程中的稳定性、振动等性能产生不同的影响。
目前，计算空气动力学性能的方法有CFD方法和仿真实验法。
CFD方法即计算流体力学方法，是一种利用数值模拟方法解决流动方程的方法。
仿真实验法则是通过对车体进行实验，从而确定其空气动力学特性。
在CFD方法中，主要包含了对流动场的计算、基于Navier-Stokes方程描述的湍流模型、界面形态和流动边界的处理、非定常流场的处理等。
通过CFD方法进行高速铁路车体空气动力学性能计算可以得到非常精确的结果。
但是，CFD方法需要考虑到许多因素，例如车体的几何形状、车速、空气密度、风洞实验数据等因素，这就需要工程师具备比较高的数学和物理素质，才能准确计算和分析。
另外，仿真实验法则是通过测试不同的车体模型和风速，从而得出不同车型在不同风速下的空气动力学特性。
相较于CFD方法，仿真实验法具有成本低、操作简便、结果直观等优点。
不过，仿真实验法在车型设计初期的应用意义更大，而在车型设计后期，CFD方法更能够提供更加准确的数据。
在实际应用中，工程师们一般会将CFD方法和仿真实验法相结合，通过实验数据的验证和数值模拟的比较，得出更为准确可靠的结论。
然而，值得注意的是，无论是CFD方法还是仿真实验法，都需要考虑到数据的准确性和精细度。
例如，在CFD方法中，需要非常精确的模型网格，而仿真实验法也需要确保车辆模型的精细度和学问手段的完善。
总的来说，对高速铁路列车的空气动力学性能进行计算和分析对于高速铁路交通的安全和稳定有着重要的意义。
高速列车动车组的空气动力学设计
高速列车动车组的空气动力学设计一、概述高速列车动车组的空气动力学设计旨在减少飞行噪音以及其他形式的空气动力学噪音，并提高列车的牵引效率。
具体而言，空气动力学设计涵盖了轮廓线设计、气流控制、车体造型和表面处理等方面。
二、轮廓线设计轮廓线设计在空气动力学设计中起着至关重要的作用。
轮廓线的设计要考虑到列车在高速行驶时产生的气流对其产生的影响。
轮廓线应该具备低阻力、良好的气动稳定性以及对横风的适应性。
三、气流控制气流控制在高速列车动车组空气动力学设计中是一个不可忽视的因素。
气流控制一方面是为了减少气动噪声产生的机会，另一方面是为了提高列车的运行效率。
气流控制可以通过以下方式实现：1. 较好的车站建设：设计良好的车站可以减少列车行进时的气动噪声。
2. 使用抗气动噪声装置：抗气动噪声装置可以改善气动噪声的产生。
3. 减少圆弧部位的阻力：设计的时候宜采用较平直的车体造型，减少圆弧的出现，从而降低阻力。
四、车体造型车体造型与空气动力学的关系十分密切。
车体造型除了决定了列车的外观外，还会影响列车在高速行驶时产生的气流的运动状态。
车体造型应该具有良好的气流稳定性，可以避免风险的产生。
五、表面处理除了以上几点，表面处理也是列车空气动力学设计的重要组成部分。
表面处理的目的是为了降低气动噪声，并保证列车的牵引效率。
表面处理可以采用降噪功能涂料来降低噪声，以及使用光滑表面的涂料来提高列车的运行效率。
六、结论空气动力学设计对于高速列车动车组的运行效率、车体稳定性以及气动噪声的影响起着关键作用。
在设计时，应该采用较好的车站建设，使用抗气动噪声装置，减少圆弧部位的阻力，以及采用光滑表面的涂料，这样才能更好地应对气动噪声的产生，提高列车的牵引效率。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
为减少高速列车会车压力波及其影响，应适当增大会车
列车内侧距、即适当增大高速铁路的线间距；
经验计算公式表明，会车压力波近似地与 成正比(u1通过车速度，u2观测车速度)；
(u1
1 8
பைடு நூலகம்
u2
)2
所以高中速列车会车时，中速车的压力波的幅值远大于
高速车(一般高1.8倍以上)。这是由于会车压力波的主要
列车空气动力学的研究方法主要有模型模拟试验（风洞、动 模型）、数值模拟计算、实车路试三种。
第六章 高速列车空气动力学与车体外型设计
第一节 列车空气动力学 二、主要研究内容及方法
数值模拟计算是近年来随着计算机技术和计算流体力学发展而逐 渐开展起来的一种研究方法，现已有多种用于列车空气动力学数 值模拟计算的商用软件，诸如CFX、STAR－CD、Fluent等，在计 算机容量能满足需要的情况下，计算结果基本上能满足工程计算 精度的要求；
日本是最早开行高速列车的国家，正是因为其复线间距和隧道断 面积偏小，至今列车的营运速度都未能超过300km/h；德国的常 导高速磁悬浮列车，由于对列车交会问题未作深入的研究，在上 海浦东两列车高速交会时，车体侧壁产生较大的弹性变形并伴有 爆破声，严重影响旅客的舒适性。
因此，列车有其自身的空气动力学问题，特别是高速轮轨和磁悬 浮列车的发展，使列车空气动力学成为风工程与工业空气动力学 研究领域中的一个重要分支。
影响因素是通过车的速度；
第六章 高速列车空气动力学与车体外型设计
第一节 列车空气动力学 五、空气阻力 空气阻力主要由以下三个部分构成： 压差阻力—头部及尾部压力差所引起的阻力； 摩擦阻力—空气粘性而引起的、作用于车体表面的剪切
应力所造成的阻力； 干扰阻力—车辆表面的突出物(如门窗、风挡、车顶设备
第六章 高速列车空气动力学与车体外型设计
第一节 列车空气动力学 三、明线运行时列车表面压力
从风洞试验结果来看列车表面压力概述为三个区域： 头车鼻尖部位正对来流方向为正压区； 车头部附近的高负压区：从鼻尖向上及向两侧，正压逐渐减
小变为负压，到接近与车身连接处的顶部与侧面，负压达到 最大值； 头车车身、 拖车和 尾车车身 低负压区；
当列车在曲线上运行 时遇到强侧风还会 影响到列车的倾覆 安全性；
第六章 高速列车空气动力学与车体外型设计
第一节 列车空气动力学 四、会车时列车表面压力 在两列车会车时，由于相对运动的列车车头对空气的挤压，
在列车间的侧墙上空气压力产生很大的波动，称为压力波； 随着会车列车速度的大幅度提高，会车压力波的强度将急剧
等)所引起的阻力；
第六章 高速列车空气动力学与车体外型设计
第一节 列车空气动力学 五、空气阻力
列车的运行阻力包括空气阻力和机械阻力，空气阻力和 速度的平方成正比，机械阻力则和速度成正比； 速度为100km/h时，空气阻力和机械阻力各占约一半； 速度为200km/h时，空气阻力占约70%，机械阻力只占 约30%； 速度为250km/h时，空气阻力约占列车总阻力的80%— 90%以上；
一般情况下，轮轨系统列车由于转向架、受电弓部位需生成大量 计算网格（磁悬浮列车无此问题），难以办到，导致气动阻力、 升力的计算结果有较大偏差外，其它计算仍能有好的结果。因此， 数值模拟计算已从最初用于列车初步设计时的外形选型，发展成 为研究列车空气动力性能的一种重要手段。
实车路试是对列车综合性能的考核，它可以获得最接近于实际 的性能参数，并用于校核各种模拟试验和数值模拟计算的结果， 但需要候列车产品竣工出厂以后才能进行，故一般都用于新产品 的验收，很少用于研究性试验，其试验结果对进一步完善列车的 空气动力性能有重要作用。
第六章 高速列车空气动力学与车体外型设计
一、问题的提出
随着列车运行速度的提高，列车的空气动力问题日益突出 虽然列车和汽车都是在地面上运行的交通工具，但列车和汽车不 同，列车由动车和多节呈长方体的车厢串联组成，外形细长，载 重量大，运行速度高于汽车，而且列车是在固定轨道上高速运行， 当复线上两相对运行列车交会及列车过隧道所引起的空气动力问 题，如果处理不当，将影响行车安全和旅客的舒适性并制约列车 运行速度的提高。
增大； 会车压力波幅值随着
头部长细比的增大而 近似线性地显著减小；
会车压力波幅值与速度的关系曲线
第六章 高速列车空气动力学与车体外型设计
第一节 列车空气动力学
四、会车时列车表面压力
为有效地减小高速列车会车引起的压力波的强度，应将 高速列车的头部设计成细长而且呈流线型；
会车压力波幅值随会车列车内侧墙间距增大而显著减小，
第六章 高速列车空气动力学与车体外型设计
第一节 列车空气动力学 三、明线运行时列车表面压力 在动车(头车)上布置空调装置及冷却系统进风口时，应布置
在靠近鼻尖的区域内，此处正压较大，进风容易；而排风口 则应布置在负压较大的顶部与侧面；
在有侧向风作用下，列车表面压力分布发生很大变化，对车 顶的压力有很大影响，尤其对车顶小圆弧部位的影响最大；
第六章 高速列车空气动力学与车体外型设计
第一节 列车空气动力学 一、问题的提出
1814年，英国人发明了世界上第一台沿轨道运行的 蒸汽机车，开始建造铁路，并形成由机车牵引车辆、组 成列车从事运输的铁路运输业。自铁路运输问世以来， 提高列车运行速度成为铁路工作者一直不断追求的目标， 列车由蒸汽机车牵引逐步发展到内燃、电力机车牵引， 其运行速度也随着提高。
第六章 高速列车空气动力学与车体外型设计
第一节 列车空气动力学 五、空气阻力 列车的空气阻力是高速运行的最大障碍
第六章 高速列车空气动力学与车体外型设计
第一节 列车空气动力学
二、主要研究内容及方法
列车空气动力学研究的目的主要是减小气动阻力，改善操纵 稳定性，提高安全舒适性及减小其对环境的影响。列车空气 动力学的研究内容可以归纳如下几个方面： （1）明线(非隧道)上列车运行时的表面压力波； （2）会车时列车表面压力波； （3）列车通过隧道时列车表面压力波动和微气压波； （4）列车气动阻力及其对车厢内人员舒适性的影响；