“复兴号”CR400AF为什么能获得外观设计金奖(上)-

自2008年京津城际铁路开通以来

我国高速铁路事业快速发展

极大地满足了社会与经济快速发展的需要

也引起了国内外的广泛关注

(高铁中国靓丽的名片)

小编考一下诸位看官

你们知道最近铁路刷屏的是啥不？

人民日报

央广网

中国经济网

新浪财经

……

众多新闻媒体都报道了

CR400AF动车组“飞龙”

获颁

中国专利奖最高奖

“中国外观设计金奖”

(CR400AF****获得外观设计金奖)

中国专利奖是由国家知识产权局与世界知识产权组织（WIPO）共同开展评选

中国唯一的专门对授权专利给予奖励的政府部门奖项

是我国专利领域的最高荣誉

这枚金灿灿的奖牌

令广大铁路工作者无比振奋、备受鼓舞

然而

有一部分吃瓜群众可能会说

“美是美，但至于金奖吗？”

(蓄势待发的****CR400AF)

我非常郑重地说

非常至于

因为“飞龙”外形后面

有

严谨的科学

先进的技术

博大精深的民族文化

以及

唯美的艺术

感觉高大上的不可思议？

那就听我一一道来

(列车与空气)

与人类一样

列车也是被空气包围着

或许是因为太过于亲密了

它努力地排开前方的空气

想挣脱

空气抵抗着

拖拽着

阻碍列车的运行

称为气动阻力

在强大牵引力的作用下

列车还是挣脱了束缚

运行起来

空气不甘心

随列车一起运动

形成列车风

列车风尤其是高速列车风

风速还相当大

有可能达到浦式7级以上

列车风引起的气动作用力

会危及铁路沿线建筑

沿线人员的人身安全

(火车站台上的安全退让线)

另外

列车风流动过程中

会在车体表面引起压力扰动

产生气动噪声

随着周围环境的变化

气流形态或压力也会发生变化

形成压力波

压力波作用在车体上

会对列车侧壁和车窗强度

列车运行稳定性

旅客乘坐舒适性产生不利影响

(列车交会压力脉冲波**(U=260km/h****，**V=210km/h))

作为旅客

我们关心列车运行速度、舒适性

更关注运行安全

列车运行受到横风作用时

空气发生绕流

会产生一个倾覆力矩M

(倾覆力矩形成示意图)

当风力达到一定的程度时

列车便会发生倾覆

2007年2月

5807次列车被大风吹翻

造成3名旅客死亡

2名旅客重伤

(被大风吹翻的列车)

随着列车运行速度的提高

诸如上述的空气动力学问题越来越显著

人们开始研究

列车与空气之间相互作用及运动规律

产生了列车空气动力学这门学科

了解了空气动力学

我们再回到“飞龙”的外观设计金奖

“飞龙”最高实验速度为385公里/小时

最高运行速度为350公里/小时

外形设计过程中

设计人员面临着系列挑战：

如何有效地降低气动阻力？

如何保证高速交会的安全性？

…….

基于列车空气动力学理论

设计人员设计了46种概念方案

进行了大量仿真和试验

经过认真比选与反复评估

最终确定了“飞龙”设计方案

实车线路试验表明

“飞龙”气动性能超群：

整车运行阻力降低12**%**

侧风升力系数低6%

气动噪声降低2dB(A)

……

值得一提的是

2016年7月15日

中国标准动车组运用考核试验中

“飞龙”与“金凤凰”

成功通过时速420公里高速交会试验

刷新了该型列车世界高速会车实验记录

(中国标准动车组高速交会试验)

设计人员当初设计了46种概念方案

“飞龙”是如何胜出的呢？

答案是凭借着优良的空气动力学性能

(动模型试验装置)

具体流程为：

在46种设计方案中

通过比选

提炼出23种进入工业设计

通过气动分析从中遴选出6种

开展海量的仿真计算

风洞以及动模型试验

最终确定了“飞龙”方案

这其中

设计方案的气动性能分析是关键

设计人员采用的先进技术有两种

一种是试验

一种是计算机仿真

根据环境与装备的不同

试验有风洞、动模型和线路三种类型

风洞试验

利用相对性原理和流动相似性原理

试验模型静止不动

气流以同样的速度反方向吹来

通过气动天平来

测量模型所受的气动载荷

风洞试验的优点在于

流动条件容易控制

可重复地、经济地取得实验数据

但是

模拟列车与周围环境的相互作用困难

如地面效应、列车交会以及过隧道等

( 风洞实验)

动模型试验

利用空气炮或弹射装置

把列车模型发射出去

辅以轨道、隧道以及桥梁等辅助设施

能模拟列车与周围环境的相互作用

但是环境风不好控制

气动阻力也无法测量

(中南大学动模型实验台)

全世界目前有4套列车动模型实验平台

3套在我们中国

英国动模型实验台最高实验速度为305km

我国中南大学等单位实验台都能达到500km/h

风洞试验

动模型试验

各有优缺点

线路试验

在真实的运营环境下进行

除了环境风不好控

技术上没有缺点

但

需要列车实物

费用高、协调困难

(中国标准动车组线路试验)

说起实物

风洞和动模型试验的模型也是实物

有没有不需要实物的分析技术？

有

它就是计算机仿真

近些年来

随着计算机技术和数值计算方法发展

计算流体力学广泛应用于列车气动性能的评估

它不需要物理模型

利用的是计算机仿真模型

模型容易修改

成本低、效率高

并且能模拟各种各样的环境

（空气动力学仿真）

听起来很完美对不对？

实际上

受限于理论与计算资源

计算机仿真结果会有些误差

上述方法各有其优点和局限性

设计过程中往往综合采用多种手段

互为补充、互为验证。

“飞龙”外形设计时

从最初46种概念方案中

利用计算机仿真初步挑选出了23款

再通过精细仿真确定了7款方案

然后制作1：8的模型

进行风洞和动模型试验

通过综合对比

确定了“飞龙”的设计方案

最终通过线路试验进行了验证

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