0   引　言

中国轨道交通历经几代技术创新与发展，取得了令世界瞩目的成就^[1-2]。然而，轮轨系统的黏着极大地限制了轨道交通进一步高速化，磁浮技术在轨道交通上的应用便应运而生。在众多新型轨道交通中，磁浮列车具有高速快捷、选线灵活、安全可靠等突出优点。“十五”至“十二五”期间，科技部将磁浮交通系统作为先进轨道交通技术列入重点研发计划。发展高速磁浮交通，不仅具有填补高速列车与飞机之间速度空白、提升出行效率与便捷性、丰富中国交通谱系的现实意义，同时也有助于建立一个国际领先的磁浮工业体系，抢占国际轨道交通技术战略高地。“十三五”期间，在国家重点研发计划“先进轨道交通”重点专项中设立了“高速磁浮交通系统关键技术”研究课题，研发600 km/h高速磁浮交通系统，旨在攻克高速磁浮系统核心技术，研制高速磁浮系统工程化样机，建立完善的高速磁浮系统研发、制造和试验平台，形成自主研发创新能力^[3]。

与高速列车相比，高速磁浮列车运行速度显著提升至600 km/h，空气动力学性能急剧恶化，引起了研究者的广泛关注^[4-6]。孟石等^[7]研究了轨道间隙对磁浮列车气动性能的影响，发现随着轨道间隙的增大，头车气动升力减小，尾车气动升力增大。丁叁叁等^[8]研究了高速磁浮列车气动升力分布规律，提出一种通过控制气隙空间空气流量来控制气动升力的方法。姚拴宝等^[9]以整车气动阻力和尾车气动升力为优化目标，开展了高速磁浮列车头型多目标气动优化设计。Zhou等^[10]研究了高速磁浮列车的流场特性，发现高强度涡流主要分布于裙板与轨道以及轨道与车底之间的狭小空间，伴随着涡流的分裂及衍生，尾流具有复杂而随机的频域分布特性。吴雨薇等^[11]研究了高速磁浮列车气动噪声特性，发现尾车流线型区域及尾流区是最主要的噪声源区，列车运行时的四极子噪声不容忽视。杨永刚等^[12]研究了高速磁浮列车明线交会横向气动性能，发现头车横向气动性能最为恶劣，侧向力峰值与车速的平方近似呈线性关系。以上研究工作主要针对特定的高速磁浮列车空气动力学问题开展，而高速磁浮列车气动设计是复杂的多目标循环优化设计，需要从系统的角度建立高速磁浮列车气动设计解决方案，使高速磁浮列车综合气动性能达到最优。

本文将探讨高速磁浮列车气动设计面临的技术挑战，提出高速磁浮列车气动设计解决方案，并介绍我国600 km/h高速磁浮列车气动设计方案，进而展望高速磁浮列车空气动力学未来的研究方向。

1   气动设计技术挑战

1.1   高速磁浮气动特征

高速磁浮列车运行速度为600 km/h，马赫数达到0.49，空气压缩效应已不可忽略，气动阻力、气动升力、压力波及噪声等急剧上升，加之运行环境（车–轨间隙、两侧节流）的变化，高速磁浮列车气动设计面临巨大挑战，并呈现出与高速轮轨列车不同的流固耦合特征，如图1所示。

图  1  高速磁浮系统流固耦合

Fig.  1  Fluid-structure coupling of high-speed maglev system

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与高速轮轨列车相比，高速磁浮列车的气动特征主要体现在两个方面：

1）高速耦合：在速度600 km/h的强流固耦合状态下，气流渗入到车体–车体、车体–悬浮架、悬浮架–轨道、车–线及沿线设施的复杂作用关系中，多维力、力矩及冲击对大系统的强度、刚度、振动及噪声耦合产生显著影响，确定气动设计边界至关重要。

2）抱轨运行：高速磁浮列车的车–轨间隙很小，在列车与轨道梁的强耦合作用下，车下气流呈现出非常复杂的湍流特征及变化规律，地面效应更为恶劣，具有持续性与非周期性特点，且随着列车速度的提高，气动载荷变化幅值加大，气动载荷的脉动控制影响列车的悬浮及振动舒适度。

图2为高速磁浮列车的气动升力分布曲线。可以看出：受车–轨间隙流场及车底滑橇结构的影响，高速磁浮列车气动升力为正值，且呈波浪形分布；头车与尾车的气动升力分布基本一致，且波动幅度明显大于中间车；头车流线型区域的压力变化最为剧烈，导致头车的气动升力波动幅度最大；从头车等截面车厢位置直至尾车的流线型区域，气动升力均值逐渐减小，其后气动升力再次增大。

图  2  高速磁浮列车气动升力分布

Fig.  2  Aerodynamic lift force distribution of the high-speed maglev train

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1.2   高速磁浮空气动力学问题

在各线路条件下，系统研究高速磁浮列车表面流场特性及其衍生的各种气动现象，以及横风、交会、隧道、轨道及沿线设施的影响，厘清高速磁浮系统面临的空气动力学问题。

1）气动阻力

气动阻力与列车速度近似呈2次方关系，速度提升，列车气动阻力急剧上升。当高速磁浮列车速度达到600 km/h时，气动阻力近似倍增，达到总阻力的90%以上。受隧道及来车影响，高速磁浮列车隧道通过及隧道交会的气动阻力显著大于明线运行。为实现600 km/h速度目标，同时降低高速磁浮列车运行能耗，气动减阻设计是最主要的技术手段。因此，需要深入研究高速磁浮列车的气动阻力特征，并作为其牵引设计的输入。

2）气动升力

与高速轮轨列车不同，高速磁浮列车抱轨运行，车–轨间隙很小，底部两侧节流，高速气流形成压力管道，存在压缩现象，产生喉管效应，导致气动升力显著增大。气动升力也与列车速度近似呈2次方关系，600 km/h下的气动升力也近似倍增（约占空车车重的40%）且波动显著。此外，高速磁浮列车隧道通过的气动升力也显著大于明线运行。气动升力影响着高速磁浮列车的悬浮导向控制，严重时会导致触轨。因此，需要深入研究高速磁浮列车的气动升力特征，控制气动升力波动，提升高速磁浮列车的运行稳定性。

3）大风气动性能

在强横风环境下，磁浮列车高速运行产生的列车风和环境风相迭加，导致侧向力和侧滚力矩迅速增大，列车横向气动性能迅速恶化，同时气动升力也迅速增大，进而导致列车运行稳定性降低，影响运行安全。为提升高速磁浮列车在大风下的运行安全性能，需要开展气动–动力学协同设计：一方面，开展气动设计，特别是车体断面设计和流线型头型设计，提升高速磁浮列车的大风气动性能；另一方面，开展动力学设计，优化悬浮导向参数及车体侧滚刚度，确保大风下的运行稳定性，防止发生触轨。

4）隧道气动性能

高速磁浮列车隧道气动性能与列车速度密切相关。当列车速度达到600 km/h时，隧道压力波、微气压波激增，高速磁浮列车隧道通过压力波可达10 kPa，隧道交会压力波更可高达20 kPa，对高速磁浮列车的车体气密强度设计提出了巨大挑战。隧道微气压波激增，导致爆破音，产生环境污染，需要对流线型头型及隧道入口缓冲结构进行优化，以降低隧道微气压波。

5）气动噪声

气动噪声能量与列车速度近似呈6～8次方关系。当高速磁浮列车速度达到600 km/h时，气动噪声迅速增大，列车表面声源强度达到140 dB，较350 km/h高速列车增大约15 dB，气动噪声问题突出。因此，需要从“声源–传递–衰减”出发开展降噪设计，优化流线型头型、车端风挡和悬浮导向系统等，并对列车外表面进行平顺化处理。

综上所述，由于运行速度提升，高速磁浮列车气动阻力、气动升力、大风气动性能、隧道气动性能和气动噪声等迅速恶化，气动设计面临诸多技术难题，需要深入研究气动方案、仿真优化、试验验证及标准规范等各个环节，综合优化气动性能，获得600 km/h高速磁浮列车气动设计方案。

2   气动设计解决方案

2.1   气动设计策略

高速磁浮列车气动设计是复杂的多目标循环优化设计，富于创新与挑战。气动设计难点主要体现在外形与空间结构的协调、各种性能参数的匹配以及多种研究手段的平衡等方面：

1）外形与空间结构的协调：需要处理好车体外形设计与空间结构、气动性能与外部尺寸的矛盾，通过合理的断面选取和气动设计，协调气动性能与室内空间。

2）各种性能参数的匹配：需要解决气动性能与其他性能以及气动性能各参数之间的匹配问题，单一强调某项性能会导向偏颇的造型路线，为此需要确定主要矛盾并加以平衡解决。

3）多种研究手段的平衡：高速磁浮列车设计速度达到600 km/h，无现成的设计经验可资借鉴，需全面实践创新。采取单一研究手段，或代价巨大、周期漫长，或精准不足、难以实现目标。因此，需多种手段并举，综合利用数值仿真、风洞试验和动模型试验等的研究成果，以最快速度达成目标。

高速磁浮列车的空气动力学性能涉及多个方面，需要解决各空气动力学性能指标与气动设计要素之间的匹配问题，还需考虑空间结构对气动设计的限制，同时兼顾民族文化传统的设计需求。高速磁浮列车气动设计原则、性能指标和设计要素之间的关系如图3所示。

图  3  高速磁浮列车气动设计原则、性能指标和设计要素的相关性

Fig.  3  Correlation of design principles, performance indicators and design elements

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高速磁浮列车的顶层气动设计原则包括安全性能、舒适性能、环保性能和经济性能；气动性能指标主要包括表面压力、气动阻力、气动升力、交会压力波、气动噪声、列车风、横风气动性能、隧道耦合特性和微气压波等；气动设计要素主要包括车体断面形状、车体断面面积、长细比、截面积变化率、纵断面形状、水平断面形状、导流型式、驾驶舱倾角和表面平顺及控制等。气动性能指标与气动设计要素之间的关系错综复杂，且不同气动性能指标之间可能存在矛盾，高速磁浮列车气动设计难度非常大。高速磁浮列车的气动设计要素及其对气动性能的影响如图4所示。各种设计要素对气动性能的影响特征构成了高速磁浮列车外观设计的技术约束条件。高速磁浮列车气动设计策略是在各种约束条件下，根据顶层指标要求，系统分析气动性能指标与气动设计要素的相关性，遵循设计目标最优化的原则，采用数值仿真、风洞试验和动模型试验相结合的方法，从流线型头型设计、表面平顺化设计及流动控制技术等方面，提升高速磁浮列车的综合气动性能。

图  4  高速磁浮列车气动设计要素及其对气动性能的影响^[13]

Fig.  4  Aerodynamic design elements and their influence on the aerodynamic performance^[13]

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2.2   气动优化措施

为探索600 km/h高速磁浮列车气动设计方案，对各气动设计要素进行多参数优化分析，以期发现各设计要素对气动性能的影响规律，提出高速磁浮列车气动设计优化方向。

1）车体断面形状

车体断面主要影响列车横向气动性能及交会压力波。车体断面形状主要有两种：鼓形和直壁形。与直壁形断面相比，鼓形断面更有利于改善列车横向气动性能并减小交会压力波。分析表明，侧顶圆弧半径由600 mm增大至1000 mm时，头车侧向力减小12.28%，头车倾覆力矩减小9.41%。

2）长细比

增大长细比几乎能够改善高速磁浮列车所有的气动性能。流线型头型长度由5.1 m增至16 m时，气动阻力减小23.2%，微气压波减小26%。但是，随着长细比增大，其改善气动性能的作用逐渐减小。另外，增大长细比还受到驾驶室空间及驾驶视野、头车乘客定员及制造成本等因素的限制，流线型头型不能无限加长。

3）截面积变化率

截面积呈线性变化，有利于降低压力梯度、减小隧道微气压波。可采取截面积分段变化的方法，使每一段的截面积都呈线性变化，从而使列车高速运行时，前区为高压区，后区为低压区，有效减小隧道微气压波。

4）断面轮廓

纵断面控制线和水平断面控制线两者相互关联、相互影响，是长细比、截面积变化率等设计要素在头型造型上的具体反映，共同决定了头型的具体形状。纵向和水平型线的设计决定了分流比例和逆压梯度，需结合操控性能进行优化。扁宽头型上下分流，可减小压力波3.1%；磁浮列车前窗无需过多考虑驾驶视野要求，采用椭球型设计可降低气动阻力4.8%—两者融合兼顾，综合气动性能优良。

5）导流型式

鼻锥设计对列车流场分布有着重要影响，其形状、驻点高度以及与车端排障装置形成的导流槽，直接决定了迎风面来流的分流形式。优化鼻锥型式和分流设计，交会压力和头车气动升力可分别降低3.8%和7.3%，提升列车气动性能。

6）表面平顺化

开展高速磁浮列车车端连接、车顶天线、车底滑橇等区域的平顺化设计，气动阻力、气动噪声分别降低3.7%和1.5%。

7）流动控制

开展车–轨间隙流动控制，可以显著降低高速磁浮列车的气动升力。图5为车底导流装置的外形及安装示意图。以列车底面为水平线，当导流装置产生向下的倾角α，车–轨间隙空气流量减小；当导流装置产生向上的倾角β，车–轨间隙空气流量增大。研究发现：与无流动控制的结果相比，采用控制技术后，整车气动阻力系数基本不变，但气动升力系数显著减小，头车气动升力降低34%，尾车气动升力降低9%。此外，其他流动控制措施（如涡流发生器、局部吹吸气和冲压进气等）也对磁浮列车气动性能有一定影响，目前正在开展深入研究。

图  5  车底导流装置外形及安装示意图

Fig.  5  Shape and installation diagram of diversion device

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2.3   气动设计流程

高速磁浮列车气动设计流程如图6所示，主要包括概念设计、初步方案、方案初选、气动分析、方案比选、技术设计、方案审察、施工设计、样车试制、样车试验、样车改进等流程。初步方案阶段采用数值仿真方法，而气动分析阶段则综合采用数值仿真、风洞试验和动模型试验方法，系统评估不同气动设计方案的综合空气动力学性能，以确定最优方案。

图  6  气动设计流程

Fig.  6  Aerodynamic design process

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3   气动设计方案

通过开展高速磁浮列车气动优化设计，确定高速磁浮列车气动设计方案，主要包括车体断面轮廓方案、流线型头型方案及表面平顺化方案等。

在原型车限界基础上，开展高速磁浮列车车体断面轮廓优化：优化侧顶圆弧，提升气动性能；优化断面高度，增大地板隔声空间。高速磁浮列车的车体断面宽度为3700 mm，高度为4198 mm，断面面积为11.95 m²。利用数值仿真、风洞试验和动模型试验方法，对不同流线型头型设计方案进行比选和验证，确定最优头型方案。高速磁浮列车流线型头型设计方案如图7所示。流线型头型长度为16 m，头型长细比为4.1，整体呈单拱椭球型造型，鼻锥两翼设置导流槽，截面积变化率采用两段线性设计。

图  7  高速磁浮列车流线型头型

Fig.  7  Streamlined head of the high-speed maglev train

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对车端连接、车门车窗、车顶天线、滑橇及车端下侧等部位进行流线化和平顺化处理，降低高速磁浮列车气动阻力及气动噪声，如图8所示。与原型车相比，600 km/h高速磁浮列车空气动力学性能显著提升：气动阻力降低17%，气动升力降低21%，气动噪声降低3 dB（A），交会压力波降低5％，微气压波降低7%。

图  8  表面平顺化方案

Fig.  8  Surface smoothing scheme

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4   气动研究展望

作为衔接高速列车与飞机之间的地面交通工具，高速磁浮列车的设计速度越来越高。上海磁浮线最高运营速度为430 km/h，中国高速磁浮列车的设计时速则达到了600 km/h。在高速运行条件下，气动问题成为制约高速磁浮列车发展的关键问题，亟待深入开展以下研究：

1）超高速条件下高速磁浮列车空气动力学研究

研究超高速条件下的高速磁浮列车流场特性，探明车–轨间隙流场特性，研究高速磁浮列车气动阻力、气动升力、大风气动载荷、气动噪声、明线交会压力波、隧道压力波、隧道微气压波等性能的变化规律，持续优化高速磁浮列车气动设计方案，并结合数值仿真、风洞试验和动模型试验方法进行系统验证，形成空气动力学性能优化的高速磁浮列车气动设计方案。

2）高速磁浮列车气动升力控制技术研究

高速磁浮列车特殊的抱轨运行方式导致车体与轨道梁之间存在相对尺度很小的气隙流场，两侧设备舱限制了车–轨间隙内的空气流动，使气动升力激增，呈现出与高速轮轨列车不同的气动特征。当列车运行速度达到600 km/h时，气动升力急速增大，对列车悬浮控制产生十分不利的影响。气动升力控制是高速磁浮列车空气动力学设计的重点，需针对车–轨间隙流场开展导流、吹吸气等形式的被动/主动流动控制技术研究，结合数值仿真、风洞试验和动模型试验方法进行技术方案验证，提出工程化应用方案，以大幅降低高速磁浮列车气动升力。

3）高速磁浮列车大风气动载荷控制技术研究

在强侧风环境下，高速磁浮列车的空气动力学性能进一步恶化，侧向力和升力迅速增大，对列车运行稳定性产生十分不利的影响。为提升高速磁浮列车对大风环境的适应性，需要建立高速磁浮列车大风气动载荷控制方法，提出不同车速–风速环境下的大风气动载荷控制策略，并开展工程化应用探索，有效降低大风环境下的列车侧向力和升力等，以提高高速磁浮列车的抗侧风能力，防止触轨。

4）高速磁浮列车气动限界特征研究

结合高速磁浮列车气密强度、环境适应性等方面的要求，研究高速磁浮列车气动限界特征，提出线间距、隧道净空面积等高速磁浮列车线路参数的建议值，并针对特殊运行工况提出高速磁浮列车限速建议，为高速磁浮列车的安全运行提供指导。

5）低真空管道高速磁浮系统空气动力学研究

作为下一代高速运载系统，低真空管道高速磁浮系统将具有一定真空度的管道和高速磁浮列车相结合，可以实现列车在低气动阻力、低噪声模式下的高速运行。在低真空管道内，环境压力低，列车速度高，局部流动加速显著，易产生激波，对流换热效率降低，具有完全不同的气动特征，需开展更加深入的系统研究，主要研究内容包括：低真空管道高速磁浮列车空气动力学流场特征研究、多尺度局部激波效应研究、车–隧耦合气动性能研究、车–隧系统热平衡研究、激波噪声研究等。为此，需要探索低真空管道高速磁浮列车空气动力学仿真技术，并开展低真空环境下的气动性能及气动噪声风洞试验，对仿真数据进行校核，提升低真空管道高速磁浮列车数值仿真的可信度。

5   结　语

高速磁浮列车是衔接高速列车与飞机之间的高速地面交通工具。中国高速磁浮列车的设计速度达到了600 km/h，气动问题成为制约高速磁浮列车发展的关键问题之一。本文系统介绍了高速磁浮交通系统的气动特征及其面临的气动问题，提出了高速磁浮交通系统气动设计策略、气动优化措施及气动设计流程，介绍了我国600 km/h高速磁浮列车气动设计方案，并展望了高速磁浮列车空气动力学的未来研究方向。