高铁|高铁车头为什么不是方的、圆的、扁的，而是子弹头一样的？
审核专家：宋占勋
车辆工程博士
如果说要选一张中国名片向全世界展示 ， 那么高铁无疑是我们最好的名片之一 。 近些年 ， 不仅祖国大地上的高铁越建越多 ， 越来越快 ， 我们还为世界贡献了中国力量、中国智慧 。 国庆节之际 ， 我们就来了解下高铁列车里藏着的门道儿 。
说到高铁 ， 人们总是忘不了它超高的颜值 ， 高铁的美学造诣也使它收获了不少粉丝 。 高铁的颜值不仅在于靓丽的外观色彩 ， 更重要的是车体的造型设计 ， 而最为重要的是车头的流线型设计 。
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来源｜搜狐 高铁四方
高铁列车有个别称 ， 叫子弹头火车 ， 所谓子弹头 ， 就是流线型的车头 ， 这个名称的来源也是因为它的头部造型酷似子弹 ， 与方方正正的普通火车相比 ， 高铁多了一种线条美 。 但将高铁的头部设计成子弹头形状 ， 并不只是为了颜值 ， 这更是设计师为了解决一些麻烦而创造的卓越智慧 。
1
不容小觑的空气
可以说 ， 在设计高速列车时 ， 设计师的很大一部分精力就是耗在了跟空气“斗智斗勇”上 ， 因为列车高速运行时 ， 遇到的最大对手之一 ， 就是空气动力 。
列车在高速运行时 ， 空气动力学性能是一个非常重要的考核指标 。 空气压力的不平衡将影响列车运行的平稳性 ， 引起列车蛇形运动 ， 严重时则导致列车脱轨 ， 引发生命安全事故 。
空气动力的另一个方面就是空气阻力 ， 列车速度越快 ， 它在单位时间内需要“推开”空气的量就越多 。 当列车的速度大小达到200公里每时以上 ， 空气阻力可以占列车行驶受到的全部阻力的75%以上 ， 一场与空气阻力的博弈必不可免 。
空气阻力其实也是一个大家族 ， 高铁运行时受到空气阻力也不止一种 。 不过 ， 其中最主要的要属压差阻力 。
当列车快速前进一段距离 ， 车头前方的空气瞬间被挤压 ， 来不及向周围散开 ， 于是形成了一片高压区域 。
类似地 ， 车尾在快速驶离原来位置时 ， 周围空气还没来得及填入车尾原来占据的空间 ， 于是在这里气压比周围更低 ， 形成一片低压区域 。
于是 ， 在车头和车尾之间形成了压强差 ， 高压区域将车向后推 ， 低压区域将车往回拉 ， 列车整体就受到一个从高压区指向低压区的力 ， 即压差阻力 。 这个力正好与列车前进方向相反 ， 阻碍列车前进 。
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整车周围压强分布
来源｜铁道科学与工程学报：高速列车头车主型线变化对列车周围流场影响研究
那怎么减小压差阻力呢？
我们知道压差阻力是由于被车头挤压的空气来不及散开 ， 车尾周围的空气来不及补充引起的 ， 关键就在“来不及”三个字上 。 那么我们只需要让车头在一瞬间压缩更少的空气 ， 同时让车尾一次腾出更少的体积 ， 方便周围空气迅速补充 。
减小车头与车尾的截面积是一个很好的方法 。 高铁子弹头一般的“长鼻子”和“长尾巴”两端截面积非常小 ， 靠近车身部分截面积缓慢增大 ， 整体呈流线型 。
这样的设计可以在列车高速前进时让车头单位面积的空气排开量减少 ， 同时减少车尾后方单位面积的空气填充量 ， 让车头附近的气压上升变化率和车尾附近的气压下降变化率不明显 ， 减小压差阻力 。
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不同类型车头附近的压强分布
来源｜铁道学报：不同类型头部外形列车轨侧压力变化规律分析与评估
除了压差阻力 ， 设计师还需要考虑由空气粘性引起的作用在车体表面的摩擦阻力 ， 以及车辆转向架、车顶设备、门窗、车厢间链接风挡等车辆表面凹凸结构引起的干扰阻力 。
空气这个平日里常常被我们忽略的东西 ， 不仅会给列车带来空气阻力 ， 还会在一些特殊的场景形成让人讨厌的压力波 。
想必大家乘坐高铁时一定遇到过这样的情况 ， 每当两辆列车交会 ， 车身就会发生不同程度的晃动或振动 ， 往往还伴随着噪声 ， 这是怎么回事呢？
在两列车车头交会的同时 ， 车头前方被压缩的空气也会汇聚在一起形成新的高压区域 。 不同的是 ， 相邻两铁道之间距离并不是很远 ， 列车相遇后 ， 两车之间会形成一个狭长的空间 ， 更不利于高压空气向四周散开 ， 同时使能量更加集中 。
两车相遇时的被压缩的空气会激发出压力波 ， 在两列车之间形成交替的高压区和低压区 ， 并沿着列车之间的空隙向外不断传播 。
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两列车交会形成压力波
来源｜中国科学院 力学研究所
就好比你鼓起嘴向外吹气 ， 口腔附近的高压空气很快会四散掉 ， 难以形成向外传播的声波 ， 你只能听到风声 。 但如果你吹一支中空的管子 ， 管内就容易形成沿着管传播的声波 ， 发出声音 ， 形成交替的高压区域和低压区域 。
两列交会的列车中间会形成一个更高的高压区域 ， 从而导致中间区域的高压大于两列车两侧的压力 ， 将会对列车形成一个横向的压力 ， 鉴于列车与轨道的锥形接触关系 ， 从而引发列车晃动和振动 ， 甚至“蛇形摆动” ， 对车体和铁轨造成损伤 ， 同时也可能引起车体异常振动或形成噪音 。
无论从舒适的角度还是安全的角度 ， 在高速列车设计阶段一定要考虑到两车交会时产生的压力波 ， 并尽可能减小它 。
经计算机仿真和测试 ， 人们发现又长又扁又宽的流线型车头可以减小两列车之间压力波的幅值 。
比起两车交会 ， 有一种情况更考验列车 ， 那就是隧道 。 对于高速列车来说 ， 隧道可以说是最恶劣的工作状况之一了 。 狭窄的隧道更不利于空气散开 ， 更有利于压力波的产生和传播 。 对于较长的隧道 ， 压力波会还反复作用在列车上 。
当列车进入隧道 ， 头部的空气突然受到挤压 ， 来不及从隧道口排出 ， 因此头部压力会急剧升高 ， 并在入口处产生压缩波 。
当车尾进入隧道 ， 而列车后方部分的隧道空气稀缺 ， 周围空气来不及补充 ， 压力急剧降低 ， 产生膨胀波 。 这种压力之间的波动对列车造成不小冲击 ， 如果列车的气密性较差而传入车内 ， 可能导致乘客耳鸣 。
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隧道中的压力波
来源｜中国科学院 力学研究所
同样 ， 子弹头形的车头和车尾能分别减小高压区和低压区的分布范围与压强变化幅度 ， 相对减弱隧道内被车头和车尾各自激发出的压缩波与膨胀波 。 另外 ， 也需要合理地设计车厢结构 ， 使其能够承受足够强的压力波 。
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来源｜搜狐 高铁四方
2
反复的实验
子弹头的设计过程 ， 不仅要以空气动力学作为基本原理 ， 更要反复地进行仿真模拟与实验 。 车头与车体周围的气流、气动力等相关参数之间如何达到最优方案 ， 经过几千次几万次的计算、修改、实践才能摸索出来 。
列车CRH380A研发时 ， 甚至进行了超过300个工况的空气动力学仿真计算才选出合适的车头 ， 然后送到风洞试验基地进行试验 。
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高速列车模型风洞试验
来源｜中央电视台 超级工程
因此 ， 一个完美的子弹头 ， 不仅要外貌出众 ， 上得了台面 ， 还要减小列车运行阻力、减小列车交会与进隧道时产生的压力波以及抑制运行时产生的噪声 ， 它既要靠“脸“折服众人 ， 也用绝对的实力征服众人 。
来源：数字北京科学中心
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