前言

自從20世紀60年代日本開通世界上第一條速度為210km/h的高速鐵路運營線以來，半個世紀的時間，高速鐵路和高速列車已經在許多國家成功建成和開通。正是由于高速列車具有運量大、能耗低、舒適性好、安全度高等特點，世界上越來越多的國家具有修建高速鐵路的愿望。目前開通高速列車運營的國家或地區已超過10個，已建和在建高速鐵路的國家已經超過20個。

如今，中國高速鐵路的建設和高速列車的制造已經在世界上具有舉足輕重的地位。高速鐵路的通車里程和在建線路長度都是世界第一，高速列車的生產量也已經有了非常大的規模，在我國高速鐵路上運營的將近2000列高速列車，幾乎都是國內制造。當然，毋庸諱言，我國在高速鐵路建設和高速列車制造上走的是引進、消化、吸收、再創新的路線，建設起點高，發展速度快，形成規模迅速。正因如此，也可能導致一些基礎理論的研究和對原始設計的理解不夠深入，與高鐵技術發達國家，如日本、法國、德國等國家相比，在高速列車的制造和使用標準上還是存在一定的差距，使得中國的高速鐵路和高速列車在進入世界市場時遇到一定的阻礙。僅僅在高速列車空氣動力學范疇內很多標準還處于缺失或不完善狀態，例如列車通過時路邊人員安全避讓距離標準、隧道內氣體壓力變化限值標準、車內氣體壓力變化限值標準、高速空調客車車內空氣質量標準、不同地區和不同季節車內溫度變化限值標準、車內熱舒適性評價標準、車內噪聲限值標準、車外氣動噪聲限值標準、列車受橫向風時的運行穩定性標準、聲屏障的氣動載荷標準等。標準的制定涉及對列車運行規律的認識、對運行環境的限定，也取決于生產技術條件的水平、人體工程學的判據，甚至種族、宗教、文化差異的影響等諸多方面的內容。但是厘清高速列車空氣動力學的相關問題及高速列車氣動作用對人、車、環境的影響規律，是制定高速列車空氣動力學相關標準的前提。本書的工作就是力求通過大量的計算分析獲得高速列車氣動載荷在某些方面的作用規律。

高速列車空氣動力學問題的研究方法可分為簡單模型理論分析、實車線路測量數據歸納分析、風洞模型試驗或水槽模型試驗分析和流體力學控制微分方程數值計算分析。其中簡單模型理論分析方法在早期的高速列車空氣動力學研究中較多采用，但由于分析模型過于簡單，與高速列車實際外形、運行工況和環境條件有較大差距，分析結果多只能用于定性研究，目前已經較少采用。其余三種研究方法是目前常用的研究手段。本書的工作是通過流體力學控制微分方程數值計算的方法，討論了九個采用實車測量和風洞模型試驗比較難于研究或幾乎無法實現的列車空氣動力學問題。包括：明線會車壓力波變化規律問題、隧道會車壓力波問題、會車過程的氣動作用力問題、列車通過隧道的氣動作用問題、列車風對路邊人員的氣動作用問題、列車的橫風效應問題、高速列車對擋風墻或聲屏障的氣動作用問題、高速空調客車內部流場問題和高速列車外部氣動噪聲問題。如果本書的內容能夠對相關標準的制定或為青年學子進入這一研究領域提供些許幫助，從而有利于我國高速列車空氣動力學的發展，將是作者的希望所在。

當然，這并不意味著高速列車空氣動力學問題只有本書提到的內容，例如高速列車與各類橋梁間的氣動作用問題、高速列車風與線路積雪相互作用對列車運行的影響問題、高速列車風與雨水相互作用對列車運行的影響問題、列車通過隧道的微氣壓波問題、受電弓的氣動作用力和氣動噪聲問題等，本書均沒有涉及。作者的工作也遠非盡善盡美。限于計算機資源條件，只分析了較短隧道的壓力波動問題和會車作用力問題，長大隧道列車氣動作用或許與短隧道中的氣動現象和影響規律不盡相同；只分析了極端情況下橫向風（橫風方向與列車運行方向垂直）對列車運行狀況的影響，具有不同偏航角方向的環境風對列車運行的影響問題沒有討論；風沙環境下粉塵與微粒對車內空氣質量的影響問題也是應該關注的問題。此外本書中所得結論也僅是一家之言，有些計算結果與實測值做了對比，有些部分的計算結果還沒有對標條件。同樣限于計算機計算能力，一些問題的計算模型網格劃分可能不夠精細，盡管在可能的情況下都盡量實施網格無關性檢驗，但有些計算只能利用到我們現有計算機的最大計算能力（例如外部氣動噪聲問題計算）。因此，計算結果也可能不夠準確，甚至可能得到錯誤的結論而作者還不自知。真誠希望同行專家不吝賜教，批評指正。

能夠完成本書的工作離不開師長、同事和學生的支持和幫助。首先要感謝我的博士生導師劉應清教授，是他把我引到高速列車空氣動力學的研究領域。另外，還要感謝西南交通大學牽引動力國家重點實驗室主任張衛華教授，他在筆者研究條件十分困難時給予了設備和資金上的支持，使得研究工作能夠持續。當然，還應該感謝我的研究生們，因為相當大一部分計算工作是他們完成的，如張曙、趙晶、劉杰、關永久、王明明、趙繼維、鄭拯宇、葉坤、陳琳、肖睿、袁磊、丁皓、姚澍、康健、崔鵬翔、劉濟洲、陸曉柳等，都對本書的工作有所貢獻，許多時候是在與他們的交流與爭論中才使得研究內容更加清晰，研究目標得以明確。誠然，應該感謝的還包括我的家人，是他們容忍我將大部分時間貢獻在計算機前，而沒有陪伴在他們身邊。

由于鐵路科技圖書出版基金的資助使本書得以出版，承蒙中國工程院梁文灝院士為本書作序，中國鐵道出版社編輯黃璐、趙靜、王明容為本書出版做了大量的工作，在此一并表示感謝。

作　者

2015年于成都