高铁时速每提升10公里,能耗加倍?

标签: 物理 原创 高铁 | 发表时间:2011-05-12 11:11 | 作者:沐右 henry
出处:http://songshuhui.net

高速铁路(来自这里)。

2011年2月,原铁道部部长刘志军因涉嫌严重违纪被免职(新闻)。随后,有关方面和媒体出现了一些关于高铁安全性和能耗的反思,与原计划比较,高铁的建设和运营都受到了一定的影响,而已经稳定安全地运行了很长时间的武广、沪杭、沪宁等高铁也要大幅降速运行。近日,有一条原载于《北京日报》的关于高铁将降速运行的新闻被包括中新网、新华网、人民网、新浪、网易、腾讯在内的诸多媒体转载,里面引述 “一位不愿具名的交通专家”的话,说“当列车时速超过320公里后,速度每提升10公里,列车的能量消耗都会成倍提升,因此高铁运营不能一味追求速度,而要选择最切合实际需求、最经济可行的运行模式。”这话听起来太不可思议了!高铁的能耗,有这么厉害吗?

按照这位“不愿具名的交通专家”的话,如果理解为速度每提升10公里(每小时)能耗翻倍的话,那么高铁试车达到的最高纪录487.3公里每小时(新闻),能耗应该是速度为320公里每小时的十万多倍,是速度为350公里每小时的一万三千多倍,显然这个数字过于离谱了一点,怎么也不可能这么高。如果按这个数字来计算的话,320公里每小时的能耗要比设计最高速度为300公里每小时的CRH2A型动车组的功率(4800千瓦)要高,那么,在京沪高速铁路上试运行在487.3公里每小时的CRH380BL动车组,其功率至少应该为4.8亿千瓦。这相当于三峡总装机容量(2250万千瓦)的二十多倍,并且在列车经过的时候空气会被加热到高于十八万摄氏度,放出远比太阳还强烈的光芒。实际上, CRH380BL动车组的牵引功率为18400千瓦,仅为CRH2A功率的不到四倍[1]。新闻里面这一条关于能耗的说法,错的很离谱。

可能有人会反驳说,这句话不应该这么理解,而是应该解读为:在320公里每小时能耗的基础上每提高10公里每小时,能耗增加一倍(是线性增加而不是指数倍增)。那么即使按照这样理解,时速487.3公里的能耗是时速320公里的16倍多一些,这这数字跟实际的功率数值比较,还是不正确的。

我们知道,运动的物体如果质量为m,速度为v的话,那么动能E=mv2/2,只要运动的速度远远小于光速,这个公式就是正确的。而根据牛顿第一定律(惯性定律),一旦列车加速起来,不受外力或者外力的合力为零的话,速度是不会变的。实际运行中,列车消耗的能量都是用在克服外在的摩擦力等阻力,保持列车的速度上。因此,如果知道高铁运行过程中的阻力F和速度v,那么单位时间里的能耗就可以根据P=Fv的功率公式计算得出,能耗正比于列车运行中受到的的阻力和速度的乘积。

对于水平运行的列车来说,阻力有两种,一种是车轮和铁轨之间的摩擦力,一种是空气对于列车的阻力。车轮和铁轨之间的摩擦力和列车运动的速度基本没有关系(摩擦力等于摩擦系数乘以压力,在这里,压力基本等于火车的重量)。随着速度的提高,空气对火车在竖直方向上的压力,以及轮轨之间的接触状态都有可能发生一定的变化,但是这些变化相对可以忽略。

空气对列车的阻力仔细说起来,包括列车正面排开空气所产生的阻力,也包括运动的列车侧面和空气之间相对运动的摩擦。运动列车受到的这些空气阻力合在一起可以用流体力学的方程表示,阻力的大小正比于速度的平方[2,3]。这样,在列车速度比较低的时候,轮轨之间的摩擦力是阻力的主要来源;随着列车运行速度的增加,轮轨摩擦力基本不变,而空气阻力会相对快速增加,在某一个速度附近(大约时速100公里每小时),两者的大小接近;对于以更高速度运行的高速列车来说,空气阻力要比轮轨的摩擦力大得多[4],是阻力的主要来源。我们在粗略地考虑高速列车能耗的时候,可以用空气阻力的数值来估计,因此,根据功率的计算公式我们很容易得出,单位时间高速列车的能耗和速度的三次方成正比,速度增加一倍的话,单位时间里的能耗才会变成原来的八倍。我们也可以估计动车组需要的牵引功率,简单的计算告诉我们,这样估计得到的功率和动车组的实际牵引功率的数量级是一致的[5]。

另外,实际上我们不应该比较单位时间的能耗,同样路程里面,速度越快,耗费的时间越短,因此,我们应该比较单位距离里面的能量消耗(相当于比较总路程里的能耗)。对于高速运动的列车,其能耗主要用于克服空气的阻力,单位距离里面耗费的能量应该正比于速度的平方而不是三次方,因此,速度加倍,能耗变成原来的四倍。因此,同样是从武汉到广州,相比320公里每小时的速度,以330公里每小时的速度运行会让能耗增加约6.3%,而以487.3公里每小时的速度运行,能耗会增加约130%,无论怎么说,离“速度每提升10公里”,能耗“成倍提升”都差的挺远的。

可以看到,前面我们提到的新闻里面说的“当列车时速超过320公里后,速度每提升10公里,列车的能量消耗都会成倍提升”是完全没有根据的说法。很难想象一位真正的“交通专家”(如果真的存在这么一位专家的话)会给出错的这样离谱的信息,而这样的新闻报道在诸多媒体里面流转而不被发现,是记者、编辑和媒体行业的悲哀。对高铁建设和运营的反思,应该基于对包括成本投入(包括能量消耗的经济或非经济成本)、安全性、国家战略、乘客对价格承受能力和对高速交通的需求、国际市场的技术垄断成本和收益等诸多因素的综合考虑上,依靠真实可信的数据和逻辑支持做出可行的判断,而不应该是这种没有任何根据的虚假信息。

感谢Albert_JIAO Ent水龙吟游识猷幸福的白龙马对本文的帮助。

参考资料:
1. 维基百科:和谐号CRH3型电力动车组和谐号CRH380B型电力动车组和谐号CRH2型电力动车组
2. 空气对运动列车产生的阻力可以用流体力学的方程表示[3],如果空气的密度是ρ,列车的截面积是A,速度为v,那么空气阻力就是F=CD ρAv2/2,里面的CD是一个系数,对于高速运动的磁悬浮列车来说,这个数值约为0.26。
3. 维基百科: Drag equation
4. 中国报道,《从空气阻力的角度看高速铁路
5. 按照[2]里面的公式和系数值CD=0.26,对于能跑出487.3公里每小时最高速度的CRH380BL动车组其牵引功率我们可以估计为至少6400千瓦,和实际的18400千瓦的数量级一致。

相关 [高铁 时速 提升] 推荐:

高铁时速每提升10公里,能耗加倍?

- henry - 科学松鼠会
2011年2月,原铁道部部长刘志军因涉嫌严重违纪被免职(新闻). 随后,有关方面和媒体出现了一些关于高铁安全性和能耗的反思,与原计划比较,高铁的建设和运营都受到了一定的影响,而已经稳定安全地运行了很长时间的武广、沪杭、沪宁等高铁也要大幅降速运行. 近日,有一条原载于《北京日报》的关于高铁将降速运行的新闻被包括中新网、新华网、人民网、新浪、网易、腾讯在内的诸多媒体转载,里面引述 “一位不愿具名的交通专家”的话,说“当列车时速超过320公里后,速度每提升10公里,列车的能量消耗都会成倍提升,因此高铁运营不能一味追求速度,而要选择最切合实际需求、最经济可行的运行模式.

高铁技穷

- caps lock - 新闻跟帖局
核心提示:25日,京沪高铁定远附近突发供电设备故障,造成部分列车晚点. 据悉,今天京沪线有三次列车出现故障断电停车,分别是杭州到天津西G44次、上海到北京的G20次、北京到杭州的G37. 6月30日京沪高铁开通后,京沪线已发生近10起供电设备故障. [查看原文]新闻跟帖局向您推荐这条跟贴. 关注关注他的微博法眼看世界 [网易江苏省南通市网友]:2011-07-27 16:07:48 发表    神州无高铁,有好绩者外邦引入.

高铁侠 序&第一话

- jack - LastAngel's AT Field

高铁侠 番外2

- just4test - LastAngel's AT Field

高铁时代的恐慌

- 一入侯门深似海 - 极视智库专家——郎咸平
  温州动车追尾是如此的让人痛心. 近期高铁意外频发,是天灾,还是人祸. 之前我们说过了经济为何恐慌,通胀我们慌,房价我们......>>点击查看新浪博客原文.

孕妇能坐高铁吗?

- Ahlon - 简生活
高铁的问题主要在于电磁辐射对环境的影响和噪声对环境的影响. 有人在高铁上实测了电磁辐射的变化,在高铁加速的时候,电磁辐射明显增大,特别是维持在高速运行阶段,电磁辐射最大,这大概和坐在微波炉 50cm 处的辐射度,甚至有时候超过了微波炉的辐射度. 视频地址:http://t.cn/heAlsQ. 机车受电弓离线率产生高压电火花,发射电磁辐射.

Go 1.1 的性能提升

- - 博客 - 伯乐在线
伯乐在线注:今天上午在微博推荐了英文原文,感谢 @Codefor 的热心翻译. 如果其他朋友也有不错的原创或译文,可以尝试 推荐给我们. 这是Go1.1发布后性能提升分析系列的第一篇文章. Go官方文档( 这里和 这里)报告说,用Go1.1重新编译你的代码就可以获得30%-40%的性能提升.

提升Java的锁性能

- - Java译站
几个月前我们介绍了如何通过 Plumbr来 进行线程锁检测,随后便收到了很多类似的问题,“Hi,文章写得不错,现在我终于知道是什么引发的性能问题了,但是现在我该怎么做. 为了在我们的产品中集成这个解决方案,我们付出了许多努力,不过在本文中,我想给大家分享几个常用的优化技巧,而不一定非要使用我们这款锁检测的工具.

【高铁之乱】中国高铁神话终结?

- Tahiti - 南方周末-热点新闻
过去八年间,以刘志军为首的铁道部创造了多个高铁之最,然而这一切在2011年7月23日晚上那场突如其来的铁路事故面前,开始变得不确定起来——这不仅是高铁安全神话的不确定,也是高铁未来发展方向的不确定.

【高铁之乱】“不可能”的事故

- forcey - 南方周末-热点新闻
铁道系统内部核心人士介绍,“7·23”动车追尾事故原因初步查明,只待有关方面权威发布. 信号系统地面设备本身的设计问题使雷击造成的故障升级,红码发成绿码,错误发出绿灯信号,引导D301前行追尾. 从23日20:25开始,一系列似乎合理的复杂调度实际上把两辆动车放到了危险的悬崖边,而信号设备的故障最终把两车推下了悬崖.