为了跑得顺，高铁也会做“头型”
等你点蓝字关注都等出蜘蛛网了
本文授权转自公众号“科学大院”（ID：kexuedayuan）
作者：王柏懿 （中国科学院力学研究所）
编者按
中国科学院是伴随着新中国成立而诞生的我国自然科学最高学术机构，建院以来，它为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献：
从“两弹一星”到载人航天，从成功研制我国第一台计算机到曙光超算、龙芯芯片，从世界首例人工合成牛胰岛素到首次证明诱导多能干细胞，从铁基超导刷新纪录到量子通信，从北京正负电子对撞机到建成一系列大科学装置……
在实施创新驱动发展战略、建设创新型国家的新时期，中国科学院启动实施了"率先行动"计划，目前已经取得了一系列显著的成果。
而且，这些成果都将以实体展项形式呈现在大家面前，让我们先以文为媒，在大院里提前了解一下这些高大上的科学成果吧。
当你在旅途中，看见一列银白色的火车从眼前呼啸而过的时候，往往会惊呼一声“高铁”！是的，它便捷、舒适、风雨无阻，不仅是中国人出行工具的宠儿，也是中国在当今世界上的一张新名片。
奔驰在中国大地的“和谐号”高速列车
顾名思义，“高铁”是高速铁路。按照规范的术语，它是指“新建设计开行250公里/小时（含预留）及以上动车组列车，初期运营速度不小于200公里/小时的客运专线铁路”。哈哈，有点拗口，不过对于我们所关心的事儿，关键词则是：200公里/小时，250公里/小时及以上！（一个字，快！两个字，很快！三个字，非常快！）
空气动力学提出的问题
但是，这样的速度是要付出代价的。空气动力学的知识告诉我们：对于以时速200公里运行的高速列车，气动阻力占行驶阻力的75%以上；如果运行速度达到350公里/小时，那么这个百分比就是85%以上了。除了气动阻力外，行驶阻力还包括轮轨滚动阻力、坡道阻力和加速时的惯性阻力等。
其实，人们从日常生活中早就知晓：顶风行路难，风越大越走不动，狂风甚至会把人吹倒呢！按照力学家的术语来说，这就是物体运动时遇到的“气动阻力”。即使没有风（气流速度为零时），物体在静止空气中运动时，也会受到阻力，因为它们之间有相对的运动。
所以，力学家更加关注“相对运动”：当物体和周围的气体之间发生相对运动时，物体会承受气体施加的一个妨碍物体运动的作用力，这个力被称作为“气动阻力”。
“气动阻力”的内涵很丰富，其中有一种叫摩擦阻力，因物体表面和周围空气相互摩擦而产生的。此外，它还包含有压差阻力、诱导阻力等等。当火车的速度较低时，气动阻力问题不算突出。但对于高速列车，它就变成制约列车运行速度提高的关键因素。
提升运行速度，有两种途径可以选择：一是提高牵引功率，二是降低行驶阻力。从节能降耗方面而言，单纯依靠提高牵引功率来提高运行速度是不科学的，而且牵引功率也不可能无限制地提高，因此人们一直在努力寻求降低列车行驶阻力的办法。
空气动力学给出了解决问题的方向
空气动力学的知识又告诉我们：优化高速列车的外形是一条重要的途径。所以，汽车、飞机采用“流线型”的外形，就是这个道理。一般而言，优化外形的效果是很明显的。中国科学院力学研究所的杨国伟研究团队，通过“气动优化设计”手段，使CRH3高速列车的气动阻力减少了15%以上。
所以，我们不妨称空气动力学家是高速列车的梳妆师。
为高铁列车巧梳妆，就是要把“车身”（包括头车、中车、尾车等）、还有那些“配件”（风挡、底罩、裙板以及顶部导流罩、受电弓等），都一一打理装扮好。
当然，最要紧的是设计好它的“头型”。这里，空气动力学家靠的是两把“大刀”：一个是“数值模拟”，一个是“实验模拟”。然后，把模拟研究获得的数据、参数，交给工程师去设计、制造。
高速列车的可能选择的各种“头型”
庞大的数值模拟给出理论依据
所谓的“数值模拟”，就是依据气动力学原理，给出描述高速列车在大气环境中运动的基本方程，所需要的边界条件则由列车外形及其物面状态给定，然后发展一套适当的算法并在计算机上求解。
依据“相对运动”的概念，数值模拟中，一般是认为列车静止不动，周围气体以列车运行的速度流经车体。力学家把列车周围空间里气体流动的情况，称作“绕流流场”。流场的参数有速度、压力、温度，都可以计算出来。
当然，高速列车这类复杂外形物体绕流问题的求解是相当困难的。在发展数值模拟的理论模型和计算软件时，一般要分段进行。例如，对“头车+中车+尾车”的3编组列车进行阻力分析时，可以做如下图所示的分解，然后针对每个分段去完成计算。每换一个外形，可以算出一组数据，通过分析比较，就能选出最优外形。
三车编组高速列车气动外形优化分解示意
下图是杨国伟团队给出的“和谐号”车头（“头车”前部）和受电弓附近（“头车”后部和“中车”全部）的流场和压力的计算结果。这里，他们把整个计算区域的流场划分成许多小格格。按计算力学的术语，每个小格格是一个“网格”。他们采用的网格数为760万！而且，这些网格的大小是不均匀的：靠车身越近，网格越加密。因为车身表面处的流动情况是最需要知道的。
CRH3型高速列车 流场中速度及压力分布特性：(a)车头；(b)受电弓附近
图中的小箭头代表流场那一点处的速度大小和方向，车身表面的颜色代表那一点处的压力值。在图的左方给出了压力的标尺，不同的颜色代表不同的压力值（蓝色表示压力值最低，红色表示压力值最高）。知道了车身表面每一点处的压力，就可以计算出该点处受到气体施加的作用力，再对整个车身求和，高速列车的气动阻力就给出来了。
其实，知道了绕流流场，还可以进一步求算出气动噪声来，这和高速列车的舒适性密切相关。
为什么会有噪声呢？因为高速列车会引起气流紊乱。
不过，噪声计算更费劲：空间网格要更精细，而且还要在时间上一步步推进。杨国伟研究团队给出一个时速350公里的三车编组(含转向架)情况中表面噪声源分布情况。在下图中，空间网格数是1300万，时间步长为2x10-5秒。同样的，不同的颜色表示不同的声压值（蓝色表示声压值最低，红色表示声压值最高）。
典型高速列车表面噪声源分布：(a)全车噪声分布(b)头车噪声源分布(c)尾车噪声源分布
除了气动阻力、噪声以外，数值模拟还可以为高速列车的安全性分析提供理论依据。下图给出杨国伟团队求算出来的时速度为350公里、横风速度为25米/秒的条件下，高速列车尾车的一个横断面处的绕流流场结构。其中，风速剖面有均匀和指数分布两种，风向角有30°和60°两种。可以看到，在列车背风侧出现了大尺度的旋涡。计算还给出了压力分布，就可以求得列车横向受力情况（包括侧向力和倾覆力矩）。
（a）指数风，风向角30°（a1）均匀风，风向角30°
（b）指数风，风向角60°（b1）均匀风，风向角60°
（c）指数风，风向角90°（c1）均匀风，风向角90°
列车尾车在横风场中的流线图
依据上述数值模拟的结果，工程师就可以比较选择气动阻力最小、舒适性最优、安全性最佳的外形。虽然计算量很大，但现在有大型高速计算机，总比制造出一个个不同外形的列车到实际轨道上运行再挑选的办法，要省事省时省钱嘛！当然，这里要求建立正确的理论模型、发展高效的计算软件，而且一般而言理论模型总要有一定的简化假定，所以力学家往往要进行实验模拟。
在264米长的动模型实验平台上进行模拟
杨国伟团队建设了一个动模型实验平台，它可是世界上独一无二的。大家知道飞机、汽车的气动实验都是在风洞里进行的，模型不同，气流吹过来。但是，一般的汽车风洞的来流速度太低，而航空风洞又难以模拟高速列车特别关注的地面效应、明线交会、隧道通过和隧道会车等运行场景。
这个264米长的大型动模型实验平台中采用了两项自主创新技术：压缩空气驱动加速技术和非接触式磁流制动减速技术，从而实现了最高实验速度500公里/小时、模型缩比1：8、模型质量100千克以上的指标，而且具有双向对开运行模式，并可以安装隧道模型。
高速列车动模型实验平台
安装有隧道模型的大型双向对开动模型实验平台
几年来，杨国伟研究团队开展了多种头型方案在无横风以及不同强度横风运行场景下的气动性能和气动噪声评估研究，完成了单车隧道通过、明线及隧道会车场景下的压力波分析。通过综合性能比较，最终选定出CRH380A高速列车头型，还为CRH380B的研制确定了改进方案。他们运用数值模拟和实验模拟这两把大刀，努力为高速列车精巧梳妆，并获得了实效。
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