1．目的及意义

1.1 研究背景

20 世纪90 年代以来, 随着世界铁路以电气化和内燃化为代表的牵引动力现代化的普遍实现, 以及以客运高速、货运重载为特征的铁路新时代的来临, 动车组的发展取得长足进步^[1,2]。铁路在世界范围内再度全面振兴, 高速铁路的发展就是其中最主要的标志之一。近代高速铁路核心的高速列车, 在克服了高速带来的一系列技术难题之后, 得到了迅猛发展^[3]。

世界高速铁路的迅猛发展也推动了我国高铁线路的建设。我国的高速铁路起步较晚，在近十年时间中也取得了很大的进步，并在短短十年时间内建成了世界最大的高速铁路网。20世纪90年代初，我国修建了第一条营运时速200公里的广深铁路，成为我国高速铁路发展的开端。1994年12月，广州至深圳开通运营时速160公里的广深准高速铁路，这条准高速铁路是我国铁路高速化的起点。21世纪初，我国着手建设速度更快的轨道交通线路，自主研制了秦沈客运专线（列车最高试验速度为321.5km/h），与德国合作开发建设了上海高速磁浮交通示范线（列车最高运行时速达到430km/h）。为适应全面建设小康社会的目标要求，铁路网要扩大规模，完善结构，提高质量，快速扩充运输能力，迅速提高装备水平。到2020年，全国铁路营业里程达到12万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电化率分别达到50%和60%以上，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。

我国的高速铁路建设蓬勃发展，高速列车技术研究也在不断向前深入，自2008年8月1日中国第一条350公里/小时的高速铁路——京津城际铁路开通运营以来，高速铁路在中国大陆迅猛发展。按照国家中长期铁路网规划和铁路“十一五”、“十二五”规划，以“四纵四横”快速客运网为主骨架的高速铁路建设全面加快推进，建成了京津、沪宁、京沪、京广、哈大等一批设计时速350公里、具有世界先进水平的高速铁路，形成了比较完善的高铁技术体系。本文的主要研究工作就是在我国高速铁路和高速列车大发展的背景下展开的。1.2 研究意义

铁路列车空气动力学问题与列车周围的流动密切相关。到目前为止，为了改善电动机功率而不是解决列车周围的流动，已经做了许多工作来改进列车系统。这导致列车系统的能量损失和性能恶化，因为列车周围的流动由于列车速度增加的紊流而受到更多干扰，因此列车周围流体的能量转换成了空气阻力，噪音和振动^[4,5]。在低列车速度下忽略的许多工程问题，随着列车的速度提高，例如气动噪声和振动、两列火车会车时产生的冲击力、隧道出口处的冲击波、乘客的舒适感等问题都随之出现。沈志云指出，高速列车与普通列车的根本区别在于列车运行的动态环境发生了质的变化,由以机械作用为主改变为以气动作用为主^[6]。我国传统列车运行速度在120km/h时,列车空气阻力占总阻力的40%钝头提速列车运行速度在160km/h时,空气阻力占总阻力的70%。由于列车空气阻力与列车运行速度平方成正比, 因此,提高列车运行速度迫切需要降低列车空气阻力,以降低能耗^[7,8]。由列车运行速度提高所带来的空气动力学问题,已成为列车提速的制约因素，列车空气动力学性能以及车辆动力学性能与高速列车头形有着密切的关系,车头流线型除了能降低运行阻力外,还有降低运行时的气动噪声、减小列车交会压力波、抑制隧道微气压波等作用。列车外形的流线型程度影响着整列车的空气动力学性能^[9]。因此，高速列车的气动外形优化设计研究对高速列车的节能环保、运行安全以及设计更高速度的高速列车都具有十分重要的意义。

1.3 国内外研究现状

高速列车外形主要由数值模拟与风洞试验相结合的方法进行设计。一般是先拟定出各种头形方案,再通过数值模拟和风洞试验进行比较选择,最后根据运营条件进行完善。条件容许的情况下也可进行实车试验以获得最合乎实际的数据,用来校正各种模拟试验数据。