前言

自从20世纪60年代日本开通世界上第一条速度为210km/h的高速铁路运营线以来，半个世纪的时间，高速铁路和高速列车已经在许多国家成功建成和开通。正是由于高速列车具有运量大、能耗低、舒适性好、安全度高等特点，世界上越来越多的国家具有修建高速铁路的愿望。目前开通高速列车运营的国家或地区已超过10个，已建和在建高速铁路的国家已经超过20个。

如今，中国高速铁路的建设和高速列车的制造已经在世界上具有举足轻重的地位。高速铁路的通车里程和在建线路长度都是世界第一，高速列车的生产量也已经有了非常大的规模，在我国高速铁路上运营的将近2000列高速列车，几乎都是国内制造。当然，毋庸讳言，我国在高速铁路建设和高速列车制造上走的是引进、消化、吸收、再创新的路线，建设起点高，发展速度快，形成规模迅速。正因如此，也可能导致一些基础理论的研究和对原始设计的理解不够深入，与高铁技术发达国家，如日本、法国、德国等国家相比，在高速列车的制造和使用标准上还是存在一定的差距，使得中国的高速铁路和高速列车在进入世界市场时遇到一定的阻碍。仅仅在高速列车空气动力学范畴内很多标准还处于缺失或不完善状态，例如列车通过时路边人员安全避让距离标准、隧道内气体压力变化限值标准、车内气体压力变化限值标准、高速空调客车车内空气质量标准、不同地区和不同季节车内温度变化限值标准、车内热舒适性评价标准、车内噪声限值标准、车外气动噪声限值标准、列车受横向风时的运行稳定性标准、声屏障的气动载荷标准等。标准的制定涉及对列车运行规律的认识、对运行环境的限定，也取决于生产技术条件的水平、人体工程学的判据，甚至种族、宗教、文化差异的影响等诸多方面的内容。但是厘清高速列车空气动力学的相关问题及高速列车气动作用对人、车、环境的影响规律，是制定高速列车空气动力学相关标准的前提。本书的工作就是力求通过大量的计算分析获得高速列车气动载荷在某些方面的作用规律。

高速列车空气动力学问题的研究方法可分为简单模型理论分析、实车线路测量数据归纳分析、风洞模型试验或水槽模型试验分析和流体力学控制微分方程数值计算分析。其中简单模型理论分析方法在早期的高速列车空气动力学研究中较多采用，但由于分析模型过于简单，与高速列车实际外形、运行工况和环境条件有较大差距，分析结果多只能用于定性研究，目前已经较少采用。其余三种研究方法是目前常用的研究手段。本书的工作是通过流体力学控制微分方程数值计算的方法，讨论了九个采用实车测量和风洞模型试验比较难于研究或几乎无法实现的列车空气动力学问题。包括：明线会车压力波变化规律问题、隧道会车压力波问题、会车过程的气动作用力问题、列车通过隧道的气动作用问题、列车风对路边人员的气动作用问题、列车的横风效应问题、高速列车对挡风墙或声屏障的气动作用问题、高速空调客车内部流场问题和高速列车外部气动噪声问题。如果本书的内容能够对相关标准的制定或为青年学子进入这一研究领域提供些许帮助，从而有利于我国高速列车空气动力学的发展，将是作者的希望所在。

当然，这并不意味着高速列车空气动力学问题只有本书提到的内容，例如高速列车与各类桥梁间的气动作用问题、高速列车风与线路积雪相互作用对列车运行的影响问题、高速列车风与雨水相互作用对列车运行的影响问题、列车通过隧道的微气压波问题、受电弓的气动作用力和气动噪声问题等，本书均没有涉及。作者的工作也远非尽善尽美。限于计算机资源条件，只分析了较短隧道的压力波动问题和会车作用力问题，长大隧道列车气动作用或许与短隧道中的气动现象和影响规律不尽相同；只分析了极端情况下横向风（横风方向与列车运行方向垂直）对列车运行状况的影响，具有不同偏航角方向的环境风对列车运行的影响问题没有讨论；风沙环境下粉尘与微粒对车内空气质量的影响问题也是应该关注的问题。此外本书中所得结论也仅是一家之言，有些计算结果与实测值做了对比，有些部分的计算结果还没有对标条件。同样限于计算机计算能力，一些问题的计算模型网格划分可能不够精细，尽管在可能的情况下都尽量实施网格无关性检验，但有些计算只能利用到我们现有计算机的最大计算能力（例如外部气动噪声问题计算）。因此，计算结果也可能不够准确，甚至可能得到错误的结论而作者还不自知。真诚希望同行专家不吝赐教，批评指正。

能够完成本书的工作离不开师长、同事和学生的支持和帮助。首先要感谢我的博士生导师刘应清教授，是他把我引到高速列车空气动力学的研究领域。另外，还要感谢西南交通大学牵引动力国家重点实验室主任张卫华教授，他在笔者研究条件十分困难时给予了设备和资金上的支持，使得研究工作能够持续。当然，还应该感谢我的研究生们，因为相当大一部分计算工作是他们完成的，如张曙、赵晶、刘杰、关永久、王明明、赵继维、郑拯宇、叶坤、陈琳、肖睿、袁磊、丁皓、姚澍、康健、崔鹏翔、刘济洲、陆晓柳等，都对本书的工作有所贡献，许多时候是在与他们的交流与争论中才使得研究内容更加清晰，研究目标得以明确。诚然，应该感谢的还包括我的家人，是他们容忍我将大部分时间贡献在计算机前，而没有陪伴在他们身边。

由于铁路科技图书出版基金的资助使本书得以出版，承蒙中国工程院梁文灝院士为本书作序，中国铁道出版社编辑黄璐、赵静、王明容为本书出版做了大量的工作，在此一并表示感谢。

作　者

2015年于成都