風速對高速列車氣動力的影響研究

鄭 濤

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學院，吉林 吉林 132200）

1 建立高速列車動力學模型

首先要建立簡化高速列車模型，實際的高速列車有8輛或16輛編組，為了方便計算，對計算結(jié)果影響不大的部分予以忽略，簡化為3輛列車模型，分別為頭車、中間車和尾車[1]。高速列車外形復雜，有受電弓、避雷器等，這些電器對計算結(jié)果也影響不大，為方便計算，最后簡化為流線型。行駛中的高速列車周圍的氣動力會產(chǎn)生變化，但流場變化是有限的，距離列車越遠，流場變化越不明顯，趨于穩(wěn)定。根據(jù)以往學者的研究成果[2-3]，本文選取計算區(qū)域長350m，寬200m，高45m。計算區(qū)域和模型示意圖如圖1所示。

圖1 高速列車模型

圖2 高速列車受力分析

2 高速列車受力分析

高速列車在線路上運行，要受到力的作用，沿著列車運行方向X軸受到的力叫做縱向力，列車受到主要的縱向力為空氣阻力，通常為了降低空氣阻力，高速列車的外形設(shè)計成流線型，沿著列車橫向Z軸所受的力為橫向力，沿著Y軸所受的力為升力，由高速列車表面部分壓力決定，大于周圍氣體的壓力為正，小于周圍氣體壓力則為負。本文研究風速對高速列車氣動力的影響，阻力屬于列車縱向動力學研究內(nèi)容，本文不討論，具體如圖2所示。由圖3可得，列車的橫向力隨風速變化而變化，當高速列車在勁風10m/s時的環(huán)境下運行時，頭車所受的橫向力最大，最大值為100kN，尾車所受的橫向力為負值-50kN。由圖4可得，列車的升力隨風速變化而變化，當高速列車在勁風10m/s時的環(huán)境下運行時，中間車所受的升力最大，最大值為65kN，頭車的升力最小，為20kN。隨著風速變大，列車的升力也在變大，當高速列車在狂風25m/s的環(huán)境下運行時，列車所受的升力最大為215kN。

3 結(jié)果分析

圖3 橫向力隨風速變化圖

圖4 升力隨風速變化圖

4 結(jié)語

綜上所述，環(huán)境風速對高速列車的氣動力影響較大，風速越高，列車的氣動力越大，運行安全性越低，所以在研發(fā)設(shè)計高速高速鐵路時，要充分考慮環(huán)境因素，特別是新疆等環(huán)境惡劣的大風地區(qū)，不能只一味的追求速度而忽略人民的生命財產(chǎn)安全。