简单地讲的话,
日本(不论东海道/山阳新干线系统和东北新干线系统)在高速铁路头车设计过程中,多学科综合优化的运用走的比世界更前一点。
详细地讲的话,
光说气动阻力的话,难免太片面了。
在理想的亚声速状态下,相同的截面,气动阻力最小的形状是SymmetricalAerofoil,Cd约为0.045,细长比越高气动阻力越小
但是正是因为高速铁路列车的气动情况不是一个理想状况,有诸多其他的因素对其进行限制,所以头型才会有发展、有变化。现在看来,
你看到的所有按照空气动力学优先设计的头型,每一个异于纯流线型的地方,都是对现实情况的适情改进。
这些现实情况包括,
1、列车运行在轨道上,下部不是空气而是轨道,所以列车下部的气动外形要进行适形设计;
2、列车需要高速会车,在恶劣天气下会受到横风影响,所以车头不能因为其气动外形的设计而使得横风对于列车稳定性的影响过大;
3、由于流体力学的基本公理,不对称流线型设计会产生升力,这对高速运行的稳定性是不利的,所以要通过调整气动外形将尾车升力降低;
etc,etc,etc.
打个比方,为什么日系高速列车喜欢设计“气泡座舱”,而且车头车钩罩处会略微上凸?
其实即便是本地研究者都早有了定量的结论。
其中下图C3控制线(玻璃泡座舱)外凸保证了较低的尾车升力(用民航的术语来讲就是扰流板一样的作用),C5控制线(第二份报告为C7控制线)内凹则对横风进行了导流,使得轻车身也有极佳的横向稳定性。
——本人于如何详细地评价CR400AF、CR400BF和CRH380A、CRH380B这四款动车组?的总结
带着上文的的分析,再来看Alfa-X的这个车头,是不是就能看懂一些了?
当然咯,有一小部分的领导干部持着唯心论的思想作风,认为车长得顺眼就肯定好,符合自我审美的东西的就肯定行(我们暂且不去评价他们的审美有多么的“超凡脱俗”),即所谓“政治挂帅的头型设计”,不仅把这种简单机械的流线审美运用到车辆的选型中,还影响了不少自称“战略研究”的网友朋友,甚至得出一些有趣的论点,
我们奉劝这些唯心主义上脑的干部和网友,
总的来说,目前高速列车车头设计,是一个多学科多系统优化的问题,即一个较为复杂的求最优解的问题。求这个最优解的限定条件包括但不限于,
etc.etc.
传统上来讲,多学科优化设计,主要是靠人的经验;但是近年来,更多则是是用全局的观点,去建立系统与系统之间的联系和掣肘,来划定约束条件、可行域,最终进行优化。这是一个非常有趣的研究方向,因为机器进行的多学科优化的最终目标,就是做到AI辅助铁路车辆的设计,甚至是AI自行设计。
JR东海的N700的头型使用遗传算法就是一个使用机器进行优化的例子。
综上来说,你看到的头车设计的每一处曲折和蜿蜒,都饱含着一个设计团队的心血,也可能是一台甚至几台大型机不断运算和相关团队反复地在风洞验证的过程。
不过,在不久的将来,日本这种以学科优化为主的头形设计也会在世界铺开,它们的形式会因其限定条件的不同而多种多样,但都是为了一个共同的目的,
在现有的线路条件和基建条件下给出一个鲁棒最优解。
以上
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