高速的风，把火车吹成了水滴的形状

自从在第一次工业革命中诞生以来，火车这种运力大速度快的交通工具已经陪伴了人类二百多年。使用的动力也从最早的蒸汽机，变成后面的内燃机，再到今天的电力，“火车”和“火”逐渐失去了联系。

时速也从最初的几十公里一步步提高到如今的三百多公里，磁悬浮的速度更是能到四百多。

如今，各国普遍把时速超过200公里的铁路称为高铁。1964年，时速200公里的日本新干线通车，世界首条高铁开始运营。

几十年时间，中国后来居上。2024年，中国的高铁里程达到了4.5万公里，占世界总里程的三分之二以上。北京上海之间的京沪高铁，设计时速更是达到了380公里，世界最快。

俗话说，火车跑得快全靠车头带。你有没有发现，伴随速度的提高，火车头的外形也发生了翻天覆地的变化。

这是19世纪的火车。

这是20世纪的火车。

而这个，是日本的新干线。

这是中国的和谐号。

更新的，这是中国的复兴号。

火车头的外观从强烈的肌肉感变得越来越流畅丝滑。

为什么会这样呢？最直接的原因，就是随着速度的提高，地上跑的列车也不得不像天上的飞机那样，考虑让人头疼的空气动力学问题。很低的速度行驶时，火车受到的空气阻力相比机械阻力可以忽略。

但时速提高到300公里时，空气阻力占总阻力的比值就上升到了85%，如果提高到400公里，这个比例更是会增加到惊人的90%。

换句话说，高铁跑一趟用的电，绝大部分被空气给吹跑了。那如何减小空气阻力呢？

首先看物体受到的空气阻力怎么算，它等于二分之空气密度乘以流动速度的平方，再乘以阻力系数和物体迎风面积。空气密度、流动速度和迎风面积都好理解，而且咱也没啥好优化的，总不至于为了减小迎风面积把火车变窄变矮吧，乘客肯定不同意。这里面，最有优化空间的就是这个阻力系数。

这是流体力学领域一个著名的无因次变量，和物体的形状及表面特征密切相关。尤其是形状，比如在某个速度下，正方体的阻力系数可能是球体的两倍多。

人们研究了很多种形状的阻力系数，最后发现有一种形状是阻力系数极小的，水滴形。

怪不得三体进攻地球时派的是水滴，原来是怕中途阻力太大抛锚了。

现在回过头来看火车头的变化，才发现它的形状也在往水滴靠拢。可以说，高速的风，逐渐把火车头吹成了水滴的形状。

手残up为了给大家直观地感受一下水滴与正方形的阻力差别，斥巨资建了个风洞。

拆掉鼓风机的出风口，3D打印一个整流罩。

再打印个迎风面积相等的正方体和水滴，穿在两条平行轴上，细线绕过整流罩将二者相连。卷上家里的透明桌布，风洞就建成了。

鼓风机开启后，二者谁受的风阻大，谁就会被吹得向后跑，而风阻小的会被细线拉着迎风向前。开机。瞬间，正方体就被吹到了后面，而水滴形则由于风阻小被拉到了前方。

二者的阻力具体能相差多少倍，我这个简易风洞恐怕测不准，便用流体仿真软件进一步进行了CFD计算。

发现在不同的风速下，或者说在不同的雷诺数下，正方体阻力系数都达到水滴的几十倍。

对比压力场，水滴形的前后压差明显更小。相比正方体，水滴头部滞止区域小，高压区就小；

同时，气流贴壁流动，尾部气流分离减弱，后面低压区也小。

进一步研究发现由正方体变成圆润的水滴头，阻力约下降至原来的1/4，而再加一个流线形的尾巴变成完整的水滴，阻力就降到了原来的1/20-1/30，可见水滴阻力小，是前方滞止区与后方尾流的综合作用结果。

我仿真所用的这款软件是天洑自研的国产流体仿真软件AICFD，内置AI加速算法，CFD计算速度快，算得准，界面交互简洁易学习，内置30天免费试用，即下即用，许可过期了，还可以参加活动申请免费延期。

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回到现实中真正的高铁外形优化，它实际受到的约束要多很多，要考虑车厢容积、车厢之间的连接、车体表面的突出结构以及车轮等复杂因素的影响。

水滴虽好，但只能尽量靠近，却很难达到。本期就到这儿啦，下期见！拜拜