在生活中,我们会发现高铁总设计师设计的流线型子弹。其实这不仅是为了好看,也是为了安全舒适。那么,子弹的头部设计会带来哪些好处呢?
高铁头部设计成流线型 Bullet ,会带来以下哪些好处?
正确答案:降低空气动力噪音。
知识:高速列车会造成空气流紊乱,产生气动噪声(气流产生的噪声),影响高速列车的乘坐舒适性。流线型的车头和流畅的车体设计可以降低高速列车的气动噪声。
高速列车被称为子弹头列车。所谓子弹头列车,就是流线型车头。这个名字的来源也是因为它的头部看起来像子弹。与方形的普通列车相比,高速列车的线条更加优美。但是,把高铁头部设计成子弹形状,不仅仅是为了价值,更是为了设计师为解决某些烦恼而创造的卓越智慧。
当列车高速运行时空的空气动力学性能是一个非常重要的评价指标。空气压不平衡会影响列车运行的平稳性,导致列车呈蛇形运行。严重时会导致列车脱轨,引发生命安全事故。
空气动力的另一个方面是空空气阻力。火车速度越快,单位时间内需要的就越多 推开 空气体越多。当列车时速达到200公里以上时,空空气阻力可占列车总阻力的75%以上,所以一场与空空气阻力的博弈在所难免。
空空气阻力其实是一个大家庭,高铁运行时空气阻力不止一种。然而,最重要的是压力阻力。
当列车快速行驶一定距离后,车头前方的空气体瞬间被挤压,来不及向四周扩散,形成高压区。
同样,当车尾快速离开原来的位置时,周围的空空气还没有充入车尾原来占据的空空间,所以这里的气压比周围低,形成低压区。
因此,在列车的前部和后部之间形成压力差。高压区把车往后推,低压区把车往后拉,整个列车受到一个从高压区到低压区的力,即压阻。这个力正好和火车的方向相反,阻碍火车前进。
如何减少压力阻力?
减小汽车前后截面积是个好方法。高铁的子弹一般 长鼻子 还有 长尾 两端截面积很小,靠近车身的截面积增加很慢,整体呈流线型。
这种设计可以减少列车高速行驶时,列车前部的空单位面积气体排量和列车后部的空单位面积气体填充量,使列车前部附近气压上升的变化率和列车后部附近气压下降的变化率不明显,压阻减小。
除了压阻之外,设计者还需要考虑空空气粘性在车体表面产生的摩擦阻力,以及车辆转向架、车顶设备、门窗、车与车之间的连接挡风玻璃等车辆表面凹凸结构产生的干涉阻力。
空气体这种平日里经常被我们忽略的气体,不仅会给列车带来空气体阻力,在一些特殊场景下还会形成令人讨厌的压力波。
在两列车头相遇的同时,车头前方被压缩的空气体会聚集在一起,形成一个新的高压区。不同的是,两条相邻铁路的距离并不是很远。列车相遇后,两列车之间会形成一个狭窄的空室,不利于高压空气体向四周扩散,同时使能量更加集中。
当两列火车相遇时,被压缩的空气体会激发压力波,在两列火车之间形成交替的高压区和低压区,并沿着火车之间的空间隙不断向外扩散。
这就好比你用嘴吹气,吹气的时候,嘴附近的高压空气体很快就会散开,很难形成向外的声波。你只能听到风声。但如果吹一个中空管,很容易在管内形成声波沿管传播,发出声音,形成交替的高压区和低压区。
两列相交的列车中间会形成一个较高的高压区,导致中间区域的高压大于两列列车两侧的压力,对列车形成横向压力。鉴于列车与轨道的圆锥接触关系,会引起列车的晃动和振动,甚至 蛇形摇摆 ,造成车体和轨道损坏,还可能造成车体异常振动或噪音。
从舒适性或安全性的角度出发,在高速列车的设计阶段就必须考虑两车会车时产生的压力波,并尽可能地减小它。
通过计算机模拟和试验,发现长、平、宽的流线型车头可以减小两列车间压力波的振幅。
子弹形头部和尾部可以分别减小高压区和低压区的分布范围和压力变化范围,相对减弱头部和尾部分别在隧道内激发的压缩波和膨胀波。此外,还需要合理设计车厢结构,使其能够承受足够强的压力波。
在弹头设计过程中,不仅要以空空气动力学为基本原理,还要反复进行仿真和实验。车身周围的气流、气动力等相关参数如何达到最优方案,要经过成千上万次的计算、修改和实践才能搞清楚。
一颗完美的子弹,不仅需要外形出众,上台面,还需要降低列车运行阻力,降低列车会车和进入隧道时产生的压力波,抑制运行时产生的噪音。这取决于 Face 征服人民,用绝对的力量征服他们。