JP4478633B2 - 高速鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、高速走行する新幹線（登録商標）等の高速鉄道車両に関し、特にトンネルの突入によって発生する微気圧波を低減させるのに好適な先頭部形状を有する高速鉄道車両に関する。

移動の高速化が望まれる現代では、鉄道車両に対しても時速２７０ｋｍ／ｈ或いはそれ以上の高速性能が要求されるようになっている。その一方で、民家などの間を抜けて通るような我が国の鉄道事情では、騒音や振動に対する環境への影響を考慮することが高速化と同様に重要な課題でもある。そうした環境対策の一課題としてトンネル微気圧波（以下、単に「微気圧波」という）によるトンネル出口での騒音などがある。高速鉄道車両がトンネルに突入する場合、先頭車両がピストンのように作用し、トンネル内の狭い空間に存在する空気が圧縮されて圧縮波が発生する。微気圧波は、この圧縮波がトンネル内をほぼ音速で伝わっていきトンネル出口に達した際外部に放出される、そのトンネル出口で圧縮波の圧力の時間についての偏導関数（以下、「圧力勾配」という。圧力の時間についての偏導関数は圧力の空間についての偏導関数と比例関係にある）に比例するパルス状の圧力波である。

そして、こうしたトンネルから放射される微気圧波は、トンネル出口周辺の建物に対して騒音や振動を及ぼすため環境対策問題の一つとして挙げられている。特に、微気圧波を引き起こす圧縮波は、その圧力勾配が車両速度の３乗に比例して大きくなるため、鉄道車両の高速化を進める上において微気圧波の低減、即ち圧縮波を小さく抑えることは極めて重要な課題となっていた。近年、こうした微気圧波の低減を目的とした先頭部形状を備えた高速鉄道車両について幾つかの提案がなされてきている。その一例が特開平１１−３２１６４０号公報に記載されたものである。同公報に開示された高速鉄道車両は、圧力勾配分布の極大部を前後に明確に分け、それぞれの圧縮波がトンネル出口で集合した微気圧波にならないようにしたものである。しかし、その具体的な構成は先頭部の寸法が２５ｍもの長さになってしまい、その分だけ客室が大幅に減少してしまい旅客鉄道車両としては現実的でなかった。

そこで本出願人は、特開２００２−３０８０９２号公報によって開示された高速鉄道車両を提案している。その高速鉄道車両は、トンネル突入によって発生する圧縮波の圧力勾配分布を、その車両先頭部の横断面積の変化率に基づいてコントロールするようにしたものである。すなわち、先端部分と後方部分とに断面積変化率の大きい部分を設けることにより圧力勾配分布に２つの極大部を形成し、特に前端部の断面積変化率を後方部分の断面積変化率より大きくする。これにより圧力勾配の２つの極大部の値を等しくする。そして、その圧力勾配の最大値に対する、中間部分に対応して形成された極大部間の窪みの最小値との比の値を例えば０．９以上１．０以下になるようにする。こうして、窪みの底を引き上げることに伴って２つの極大値が重なってしまうようなことなく中間区間の値をより一定化させ、圧力勾配の最大値（極大部の最大値）を低下させる。従って、本出願人が提案した従来の高速鉄道車両は、こうして圧力勾配の最大値を小さくすることで車両先頭部の長さ寸法を抑えながらも効果的に微気圧波を低減させるものである。
特開平１１−３２１６４０号公報（第４−６頁、図６、図８） 特開２００２−３０８０９２（第３−５頁、図１−図５）

ところで、７００系の新幹線（登録商標）車両では、先端からの後方一般部までの長さが約１０ｍ（正確には９．２ｍ）であるのに対し、前記特許文献１の高速鉄道車両では、先頭部形状の寸法が２５ｍもの長さになってしまい、客室確保の点から好ましいものではなかった。この点、特許文献２の高速鉄道車両は、所定の長さに設定した先頭部を断面積変化率に基づいて圧力勾配分布が最適化する形状になるようにしたものである。そのため、微気圧波を低減させながらも、車体先頭部の長さを従来のものと同じレベルで構成することができる。

ところで、特許文献２の高速鉄道車両では、最適横断面積分布を求める解析を簡単にするため、具体的には軸対称モデルを用いて解析を行っている。つまり、トンネル形状は横断面積を一致させた円筒形状にし、車両も横断面積を一致させた円柱状のものが突入する場合を想定して行っている。従って、従来の高速鉄道車両においては、その先頭部形状を軸対象の検討に基づいて設計するようしたものであって、車両を輪切りにしたときの断面積の関数形状について論じるのが主要な骨子であった。しかしながら、現実的には軸対象ということはありえないから、トンネル微気圧波対策として、軸対象的な発想を超えるより現実に近い状態での先頭部形状の特定が望まれている。

そこで本発明は、かかる課題を解決すべく、微気圧波を低減させる３次元的な決定により特定する先頭部形状を備えた高速鉄道車両を提供することを目的とする。

高速鉄道車両は、高速鉄道車両における先端から最大横断面積となる一般部までの先頭部形状の特定によって微気圧波を低減するものであって、車両先頭部の先端部分と一般部直前の後方部分は、車両先頭部のトンネル突入によって発生する圧縮波の圧力勾配分布に各々に対応したほぼ同じ値の極大部を有するように断面積変化率が大きく形成され、その先端部分から後方部分の間の中間部分は、断面積が徐々に僅かずつ大きくなるように断面積変化率が小さく形成され、その先端部分には、揚力を発生するように上下両方向にせばめられて幅方向に長い扁平形状のノーズが形成されたものであることが好ましい。

また、高速鉄道車両は、高速鉄道車両における先端から最大横断面積となる一般部までの先頭部形状の特定によって微気圧波を低減するものであって、車両先頭部の先端部分と一般部直前の後方部分は、車両先頭部のトンネル突入によって発生する圧縮波の圧力勾配分布に各々に対応したほぼ同じ値の極大部を有するように断面積変化率が大きく形成され、その先端部分から後方部分の間の中間部分は、断面積が徐々に僅かずつ大きくなるように断面積変化率が小さく形成され、その後方部分には、車体上面を幅方向に狭くし、その車体上面側と車体側面側との間に緩やかな曲面でつなぐ肩部が形成されたものであることが好ましい。

本発明に係る高速鉄道車両は、先端から最大横断面積となる一般部までの先頭部形状の特定によって微気圧波を低減するものであって、車両先頭部の先端部分と一般部直前の後方部分は、車両先頭部のトンネル突入によって発生する圧縮波の圧力勾配分布に各々に対応したほぼ同じ値の極大部を有するように断面積変化率が大きく形成され、その先端部分から後方部分の間の中間部分は、断面積が徐々に僅かずつ大きくなるように断面積変化率が小さく形成され、その先端部分には、上下両方向にせばめられて幅方向に長い扁平形状のノーズと、平滑な下面によって閉じた構造の顎部とが形成され、後方部分には、車体上面を幅方向に狭くし、その車体上面側と車体側面側との間に緩やかな曲面でつなぐ肩部が形成され、前記ノーズと顎部との間で幅方向に凹んだ窪みが後方にまで延びて先頭部形状の側面に溝ラインが形成されたものであることを特徴とする。

そして、本発明の高速鉄道車両は、前記顎部の下面が車両限界で設定された車体下ラインに沿ったものであることが好ましい。

よって、本発明に係る高速鉄道車両によれば、車両先頭部の先端部分と一般部直前の後方部分には、圧力勾配分布にほぼ同じ極大部ができるよう断面積変化率が大きく形成され、そして中間部分は、断面積が徐々に僅かずつ大きくなるように断面積変化率が小さく形成されるようにしたものであることから、圧力勾配は中間部分の前後に大きな値が表れるように分散して最大値を下げることになる。
そして、特に扁平形状のノーズを設けることにより、ノーズ部分に発生する空気の渦によって車両先頭部が見かけ上前方に伸ばしたように作用して圧力勾配の最大値をより小さくすることができる。

また、後方部分にて車体上面を幅方向に狭くしてその車体上面側と車体側面側との間をつなぐ肩部を緩やかな曲面にしたことにより、先頭部の長さを見かけ上後方に伸ばしたように作用して圧力勾配の最大値をより小さくすることができる。
更には、先端部分に扁平形状のノーズとともの平滑な下面によって閉じた構造の顎部を設けることにより、車体下面をより地面に近い状態で走行させることでノーズ形状や幅を狭めた肩部に緩やかな曲面形状の効果がより有効なものとなる。

次に、本発明に係る高速鉄道車両について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。
図１２は、前記特許文献２に記載された、あるパターン１〜４の異なる先頭部形状によって生じる圧縮波の圧力勾配分布（時速２７０ｋｍ／ｈ走行時について）を示した図である。同図は、車両先頭部がトンネルに突入する際に生じる圧縮波の圧力勾配分布を示したものであり、具体的にはトンネル内の所定箇所で観測した圧縮波の圧力変化を時間で微分したものである。縦軸には圧力勾配をとり、横軸には時間をとっている。ここで、ｖは車両速度であり、Ｌは車両の先頭部長さである。そして、観測点における時刻の原点０は、トンネル入口に車両先頭部が突入した瞬間に発生した音波がその観測点に到達した時刻をとっている。なお、観測点はトンネル入口からの距離ｘに依存しているため、音速をｓで表せばこの線図はｘ／ｓだけ時刻の原点がずれている。

微気圧波は、圧縮波による圧力勾配に比例するため、微気圧波を低減させるには圧力勾配の最大値を低下させればよい。即ち、図１２に示すように各パターンに現れている圧力勾配分布の極大部Ａ，Ｂを下げればよいことになる。その際、単純に車両先頭部を長くすれば車両先頭部の通過時間（図１２のＬ／ｖ）が長くなるため、それに伴って極大部Ａ，Ｂを低下させることができる。これは、圧力勾配分布が、最大横断面積（一般部横断面積）が同じであれば、同じ条件で走行させた場合に生じる圧力変化（０〜Ｌ／ｖの範囲で囲まれる圧力勾配分布の面積）が一定であるため、車両先頭部が長くなれば時間幅が広くなって圧力勾配全体が低下するからである。

一方、トンネル突入時に発生する圧力進行波の全波高は列車の横断面積を小さくすれば低減可能であるため、車両先頭部長さを不変とした場合には、圧力全波高を低下させることにより、それに比例して圧力勾配も小さくすることができる。しかし、一般部の横断面積を小さくしてしまったのでは、乗客の居住性を損なうことになる。従って、こうした断面積の縮小や車両先頭部長さの拡張といった点から圧力勾配分布の低下を図るのは、設計上トレードオフが生じるため好ましい方法ではない。

そこで、本実施形態では、次のようにしてトンネル出口から放射される微気圧波を低減させるのに好適な先頭部形状を備える高速鉄道車両を提供することとした。
先ず、微気圧波を低減させるようにした基準となる先頭部形状を任意に作成した。図１がその基準となる高速鉄道車両の第１先頭部形状を示した図である。図１（ａ）〜（ｃ）は、第１先頭部形状の平面図、側面図および正面図を示した図であり、いずれも所定間隔の断面における外形線を重ねて示したものである。そして、この第１先頭部形状１を基準にして、車両先頭部の長さと一般部の横断面積を固定した状態で圧力勾配の最大値が低下する好適な車両先頭部形状の特定を行うこととした。

ここで図８は、第１先頭部形状１および、後述する他の先頭部形状の高速鉄道車両がトンネルに突入した時の圧縮波の圧力勾配分布を比較して示した図である。このグラフは、３次元の高速鉄道車両について、速度２７０ｋｍ／ｈで対向車の軌道がある複線トンネルに突入した場合に生じる圧力波について圧縮性流体解析を行って数値的に求めたものである。そして、第１先頭部形状１の最大値に相当する値((∂ｐ/∂ｔ)max＝約8.5kPa/sec)を１００％として縦軸に示し、横軸には、圧力波源相当位置（圧力波源相当位置とは、トンネル内を前方に進行する圧力波形を同一に保ったまま時間を遡り圧力波上の各々の位置がトンネル入口面を仮想的に出発する時刻に車両の先端がトンネル入口面からどれだけトンネル内部にあるかを示すものである。以下、各グラフにおいて同じ。）を示している。

ところで、特許文献２では、先頭部長さを長くすることなく、一般部の横断面積を確保しながら微気圧波を低減させる先頭部形状を有する高速鉄道車両が提案されている。
すなわち、微気圧波の強さ（パワー）は図１２に示すような圧力勾配の２乗に比例するため、高い値を示す極大部Ａ，Ｂを抑えることが有効である。そして、圧力勾配分布曲線によって囲まれる面積が一定になることから、圧力勾配の極大部Ａ，Ｂの値が等しくなり、且つその間の窪みＣ部分の最小値が極大部Ａ，Ｂの値により近づくようにした圧力勾配分布を示すような断面積変化率を特定して先頭部形状を作成することが記載されている。

図１に示した第１先頭部形状１は、微気圧波が低減するようにこうした特許文献２の手法に基づき、圧力勾配分布の特性から断面積変化率を数値解析して作成したものである。すなわち、当該圧力勾配分布に極大部Ａ，Ｂの形状をつくる断面積変化率の大きい部分が当該車両先頭部の先端部分と一般部直前の後方部分とにあり、その先端部分から後方部分にかけて断面積が徐々に僅かずつ大きくなるように断面積変化率を小さくした中間部分が形成されている。言い換えれば、先端部分と一般部直前の後方部分が、車両先頭部のトンネル突入によって発生する圧縮波の圧力勾配分布に極大部Ａと極大部Ｂとができるよう断面積変化率が大きく形成され、その先端部分から後方部分の間の中間部分では、断面積が徐々に僅かずつ大きくなるように断面積変化率が小さく形成されている。

そして、こうして得られた図１に示す第１先頭部形状１は、ノーズ１１の高さに着目してその形状が特定されている。つまり、図１（ｂ）において先頭部形状を側面方向から見た場合、前方に突き出したノーズ１１の最先端部がレール上面から所定の高さにあるように設計されている。本実施形態では、車両先端部分で上下両方向或いは左右両方向からせばめられ、レールから所定の高さで前方に突き出した部分を「ノーズ」とする。

この第１先頭部形状１は、水平な車体下ライン１２からノーズ１１の最先端部にかけて前方にせり上がり、車体上面１３では後方の一般部にかけて緩やかに上昇した傾斜を有している。この場合、レール上面からのノーズ１１の高さｈ１は９６０ｍｍに設定されている。更に、図１（ａ）（ｃ）によって第１先頭部形状１を幅方向に見た場合、ノーズ１１の最先端部より高い位置では、一般部までほぼ一定間隔の幅寸法で形成され、ノーズ１１の最先端部より低い位置やノーズ１１の先端部分では内側や先端方向に幅寸法を小さくして湾曲した形状になっている。

こうしてノーズ１１に着目して構成したのは、車両の接近によって発生するトンネル内の圧力変化がより早い時点で起きるようにするためである。
つまり先頭部形状のノーズを高くするとノーズ部分に揚力が発生し、この揚力を発生させる空気の渦が車両先頭部を見かけ上前方に伸ばしたように作用して、高速鉄道車両がトンネルに突入するより前方の位置からトンネル内の圧力を高めると考えられるからである。この場合、走行する高速鉄道車両の先端部分において排除する空気の体積は変わらないが、ノーズ部分が力を受けるその反作用によって前方の空気を移動させると考えられる。

前述したように圧力勾配分布は最大横断面積（一般部横断面積）が同じであれば、同じ条件で走行させた場合に生じる圧力変化は一定であるため、車両先頭部が見かけ上長くなったようにトンネル内の圧力を変化させることで圧力勾配分布の時間幅（その時間に対応した車両の移動距離（図８乃至図１２におけるグラフの横軸））が広くなって圧力勾配全体が低下することになる。そこで、ノーズ１１を上げた第１先頭部形状１は、図８のグラフＧ１のような圧力勾配分布を示した。具体的には、極大部Ａ，Ｂはほぼ等しい値を示しているが、その間の窪みＣの値が小さくなっている。

そして、この第１先頭部形状１をベースにして、圧力勾配分布が前述したように極大部Ａ，Ｂの値がほぼ等しく、更にその間の窪みＣにおける最小値との差が小さくなる形状、つまり台形形状を目指して３次元的な変形を加えて検討を行った。ここでは、高速鉄道車両の先頭部形状が３次元的にどのような特徴を持った形状であることが圧力勾配の低減に好ましいかを、様々な３次元的変化を加えることによって確認した。そのため、以下に示す各先頭部形状は、ベースとなる第１先頭部形状１と断面積分布（横断面積Ａ(Ｘ)の関数形）を一致させ、先端から一般部までの所定位置における断面積が全て同一（車両先端から同じ距離Ｘ位置で輪切りにしたものであれば、その断面積が同じ）になることを条件とした。

図２は、第１先頭部形状を変形させた高速鉄道車両の第２先頭部形状を示した図であり、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ平面、側面および正面を示し、いずれも所定間隔の断面における外形線を重ねて示している。
この第２先頭部形状２は、第１先頭部形状１のノーズ１１を高くする変形を加えたものである。すなわち、第１先頭部形状１におけるノーズ１１の先端高さｈ１が９６０ｍｍであるのに対し、第２先頭部形状２におけるノーズ２１の先端高さｈ２は１９６０ｍｍになっている。ノーズ２１の形状は、図２（ｃ）に示されているように、第１先頭部形状１のものと同じく横に長い扁平形状をしている。そして、この第２先頭部形状２は、第１先頭部形状１と同じ断面積分布の条件で設計されているため、ノーズ２１が上昇した分、ノーズ２１の下側では車体下ライン２２が持ち上げられ、前方にかけて上昇している。そして、ノーズ２１の上側の車体上面２３は、車体下ライン２２の上昇に対応してほぼ同じ高さで形成され、その後一般部にかけて緩やかに上昇する傾斜面になっている。

更に、図３は、第１先頭部形状を変形させた高速鉄道車両の第３先頭部形状を示した図であり、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ平面、側面および正面を示し、いずれも所定間隔の断面における外形線を重ねて示している。
この第３先頭部形状３は、第２先頭部形状２と同じくノーズ３１を高くする変形を加えたものである。しかし、これは図３（ｃ）に示されているように、横長ではなく縦長のノーズ３１になっている。そのため、第１先頭部形状１と断面積分布を同じにする条件の下では、図３（ａ）に示されているように前方にかけて幅が狭くなるように形成され、車体下ライン３２を第１先頭部形状と同じ車両限界まで下げているため、車体上面３３は、図３（ｂ）に示されているように先端部から後方にかけて僅かに沈み、その後一般部に向けて上昇する傾斜面になっている。そして、こうしたノーズ３１の先端高さｈ３は１７１５ｍｍである。

ここで、図８に示された圧力勾配分布は、こうした第１乃至第３先頭部形状１，２，３を備えた高速鉄道車両によるものである。第１先頭部形状１（Ｇ１）に対して第３先頭部形状３（Ｇ３）とを比較した場合、第３先頭部形状３の後方側に発生する圧力勾配の極大部Ｂの値が第１先頭部形状１の最大値を超えてしまっている。それに対して第２先頭部形状２（Ｇ２）を比較すると、第１先頭部形状１よりも全体的に値が下がっている。

ここで図１１は、第１先頭部形状１および第２先頭部形状２の高速鉄道車両がトンネルに突入した時の圧縮波の圧力勾配分布のほぼ全体を比較して示した図である。第２先頭部形状２の圧力勾配が全体的に下がったのは、圧力勾配分布の面積が一定になるところ、前後方向で圧力勾配に、図１１に示される膨らみ１０１と図８に示される膨らみ１０２ができたためである。そして特に、極大部Ａの前方に膨らみ１０１が生じていることから扁平形状のノーズを上昇させることが有効な変形であることが分かる。これは、前述したようにノーズ２１の下に地面効果による渦が発生し、ノーズ２１部分が受ける力の反作用によって前方の空気を移動させ、車両先頭部の長さが見かけ上伸びていると考えられるからである。更に、図２に示す第２先頭部形状２のように扁平なノーズを高さを変えて検討したところ、ノーズ高さは１２００〜２０００ｍｍの高さが好ましいことが分かった。

続いて図４は、第１先頭部形状を変形させた高速鉄道車両の第４先頭部形状を示した図であり、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ平面、側面および正面を示し、いずれも所定間隔の断面における外形線を重ねて示している。
この第４先頭部形状４は、ノーズ４１を第１先頭部形状１のものと同じにしたまま、一般部直前の後方部分の形状を変化させたものである。先ず、側方から見た形状は、図４（ｂ）に示されているように水平な車体下ライン４２からノーズ４１の最先端部にかけて前方にせり上がり、車体上面４３は後方の一般部にかけて緩やかに上昇した傾斜を有し、第１先頭部形状１とほぼ同じように形成されている。

しかし、一般部へと連続する後方部分（およそ運転室から乗客の出入り口ドアが設けられることになる部分。以下同じ）４５では、図４（ｃ）に示すように車体上面４３の幅方向の寸法が狭められ、側部４６に連続する肩部４７の曲率半径が大きくなるように緩やかな曲面で形成されている。一般部は、屋根が平らに近い緩やかな曲面で、側部も平らに近い緩やかな曲面である。この間にはＲ４００ｍｍ程度のコーナー部、すなわち肩部が構成されている。後方部分４５はこうした一般部に連続的につながっているため、先頭部形状の肩部は、一般部から車両先端側にかけて、Ｒを徐々に緩やかにして運転室付近で最も緩やかになるように構成し、先端に向かうにつれて再び曲率の急なＲとして先端部の曲面と連続するようにする。変化する肩部４７の曲率半径は、一般部のＲ４００ｍｍから、例えば先端部にかけて所定箇所でＲ６００ｍｍ、Ｒ８３０ｍｍ、Ｒ１０００ｍｍ、Ｒ９６０ｍｍと変化するように形成されている。

そして、次に図５は、第１先頭部形状を変形させた高速鉄道車両の第５先頭部形状を示した図であり、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ平面、側面および正面を示し、いずれも所定間隔の断面における外形線を重ねて示している。
この第５先頭部形状５は、第４先頭部形状と同じくノーズ５１を第１先頭部形状１のものと同じにしたまま、一般部直前の後方部分の形状を変化させたものである。従って、側方から見た形状は、図５（ｂ）に示されているように水平な車体下ライン５２からノーズ５１の最先端部にかけて前方にせり上がり、車体上面５３では後方の一般部にかけて緩やかに上昇した傾斜を有し、第１先頭部形状１とほぼ同じように形成されている。しかし、一般部へと連続する後方部分５５では、車体上面５３の幅方向寸法が狭められている。しかし、第４先頭部形状４とは異なり、肩部５６の曲率半径が一般部と同じになるようにＲ４００ｍｍ程度で形成されている。

ここで図９は、第１先頭部形状１と第４および第５先頭部形状４，５の高速鉄道車両がトンネルに突入した時の圧縮波の圧力勾配分布を比較して示した図である。
第１先頭部形状１（Ｇ１）に対して第５先頭部形状５（Ｇ５）とを比較した場合、第５先頭部形状５の前方側に発生する圧力勾配の極大部Ａの値が第１先頭部形状１の最大値を超えてしまっている。それに対して第４先頭部形状４（Ｇ４）を比較すると、第１先頭部形状１よりも全体的に値が下がっていることが分かる。このことから車体上面４３を狭めた場合、肩部４７のＲ曲面を緩やかにすることが有効な変形であることが分かった。これは、第４先頭部形状４（Ｇ４）は膨らみ部分２００が極大部Ｂ後の下降部に生じていることが確認できるが、ノーズ高さを上げた場合には先頭部を車体前方に見かけ上伸ばしたが、この肩部４７の曲面は先頭部の長さを見かけ上後方に伸ばしていると考えられる。

以上のことから、３次元的な形状の特徴として、ノーズ位置が高く、そのノーズにおいて揚力が発生すること、そして後方部分の車体上面の幅を狭めて肩部のＲ曲面を緩やかにすることが微気圧波を低減させるのに有効なことが分かった。そして、更に同じ横断面積で同じ形状の車両を用いて地面に対する車体下ラインの高さについて検証したところ、車体下面がより地面に近い状態で車両を走行させた場合の方が、微気圧波の改善における効果がより大きいことが分かった。地面と車体との隙間を狭くすると、地面と車体下面との間に空気が勢い良く流れ込み、低気圧部分をつくることにより車体全体が下向きの揚力を受け、その反作用として空気が持ち上げられる。こうした作用が結果として車体先頭部が見かけ上伸びて長くなることに寄与し、微気圧波を低減させることにつながっていると考えられる。

そこで本実施形態では、ノーズを高くする効果を得ながら車体下面の高さを低くする効果も得るため、ノーズの下に顎部を突き出すようにした図６及び図７に示す第６先頭部形状を形成した。図６は、その第６先頭部形状を示した図であり、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ平面、側面および正面を示し、いずれも所定間隔の断面における外形線を重ねて示している。そして、図７は、この第６先頭部形状をグレイスケールで示した平面、側面および正面である。

第６先頭部形状６は、やはり第１先頭部形状１と断面積分布を同じにした条件の下、３次元的な形状変化によって形成されたものである。車体下面はレール上面に近いほど望ましいとの前記検討結果から、列車先端近くのレール近くを覆ように張出して顎部６１が形成され、下面は閉じた平滑面であって、できるだけ前方に張り出すとともに、顎部単体では下向きの揚力を発生するように構成されている。そして、この第６先頭部形状は、先の形状変化で得られた微気圧波低減の効果を残すようにしている。具体的には、第２先頭部形状２のノーズ２１を高くする点と、第４先頭部形状４の車体上面４３の横幅を狭めて肩部４７の曲線を緩やかなものとした点とを、第６先頭部形状６の形状的特徴としている。

第６先頭部形状６を側方から見た形状は、図６（ｂ）に示されているように、水平な車体下ライン６２が顎部６１の先端にまで形成され、その顎部６１とノーズ６３との間には後方に窪んだ凹部６４が形成されている。この凹部６４は、第１先頭部形状１と断面積分布を同じにすることから、後方だけでなく図６（ｃ）に示されているように幅方向にも大きく窪むように湾曲して形成されている。そして、この第６先頭部形状６のノーズ６３先端の高さｈ６は１７００ｍｍである。

車体上面６５は、ノーズ６３部分から後方にかけて微量ずつ上方に、且つ幅方向にも寸法を広げて形成されている。その車体上面６５上には、運転室部分６６が幅方向中央に所定の幅寸法で形成されており、その左右側部は若干凹状に形成され、運転席部分６６から一般部へと続く肩部６７のＲ曲面が緩やかに形成されている。
顎部６１は、上方から見た場合、先端が扁平形状をしたノーズ６３とほぼ重なるような形状で形成され、側方から見た場合にはノーズ６３と共に前縁が滑らかな曲面によって加工されている。更に、こうした顎部６１は、例えば０系新幹線（登録商標）に設けられたスカートとは異なるものであり、車体下ライン６２に沿って平滑な下面が形成されて閉じた構造になっている。

そして、顎部６１とノーズ６３との間にできた凹部６４は、図７に示すように第１先頭部形状１との断面積分布を同一にするために幅方向の窪みが後方に延びて側面に溝ラインを構成している。この溝ラインは、運転室部分６６の方向に位置するドア部直前まで延び、その形状は断面積の大きくなる後方にかけて窪みが小さくなっている。そして、気流を乱さないように直線的に形成され、溝ラインのノーズ６３側ラインを水平にして、顎部６１側ラインが車体後方にかけて上がるとともに窪みの深さが徐々に浅くなるように変化している。

ここで図１０は、第１先頭部形状１と第６先頭部形状６の高速鉄道車両がトンネルに突入した時の圧縮波の圧力勾配分布を比較して示した図である。
第１先頭部形状１（Ｇ１）と第６先頭部形状６（Ｇ６）とを比較すると、第１先頭部形状１（Ｇ１）の圧力勾配には前後の極大部Ａ，Ｂとその間の窪みＣがはっきり分かるのに対し、第６先頭部形状６（Ｇ６）の圧力勾配は、極大部Ａ，Ｂの値が下がり、逆に窪みＣが上がったことで極大部と窪みの区別がなくなって全体の形状が台形に近づいた。そのため、極大部を明確に分けるような形状ではなくなったことで、圧力勾配の最大値を下げることができた。

このことから第６先頭部形状６では、３次元的な形状の特徴として、ノーズの位置を高くしたこと、後方部分の車体上面の幅を狭めて肩部のＲ曲面を緩やかにしたこと、そして車体下面をより地面に近い状態で走行させるべく下面を有する顎部を突き出させたことの各形状的な特徴の効果が得られたと考えられる。すなわち、扁平形状のノーズ６３を上昇させることでその下に地面効果による渦を発生させ、ノーズ２１部分が受ける力の反作用によって前方の空気を移動させて先頭部の長さを見かけ上前方に伸ばすこと、車体上面６５の上面を運転席部分６６が幅を狭め、一般部への肩部６７のＲ曲面が緩やかに形成することで先頭部の長さを見かけ上後方に伸ばすこと、そしてこうした形状によって得られる微気圧波低減効果を顎部６１に伴う車体下ライン６２の低下でより有効なものとしていることによる。

ところで、ノーズを上げたことによる地面効果によって先頭部形状を見かけ上伸ばして微気圧波を低減させる効果は得られるが、ノーズの下にできる渦によって揚力が働くため車体には浮き上がりの力が作用することになる。この点、第６先頭部形状６では、下面を有する顎部６１が形成され、ダウンフォースを利かせるようになったことと、そしてノーズ６３の下に作用する力が下向きに顎部６１へ働くため、相殺されて浮き上がりを防止している。従って、第６先頭部形状６では、ノーズ６３の下に作用する渦からは先頭部を見かけ上先に伸ばすことの効果だけが抽出される。

よって、以上のことから、基準となる第１先頭部形状１を有る特徴を捉えて３次元的に形状変化させることが、高速鉄道車両の先頭部長さを抑えたまま微気圧波を低減させることに有効であることが分かった。

以上、本発明の高速鉄道車両についてその一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、３次元的な形状変化の効果を確認するため第１先頭部形状の断面積分布を同一にした条件の下で第２乃至第６先頭部形状に対する効果を見てきたが、実際の先頭部形状は前述した形状的特徴を備えるものであればよく、断面積分布の拘束を受けるものではない。

第１先頭部形状の平面図、側面図および正面図を示した図であり、いずれも所定間隔の断面における外形線を重ねて示したものである。 第２先頭部形状の平面図、側面図および正面図を示した図であり、いずれも所定間隔の断面における外形線を重ねて示したものである。 第３先頭部形状の平面図、側面図および正面図を示した図であり、いずれも所定間隔の断面における外形線を重ねて示したものである。 第４先頭部形状の平面図、側面図および正面図を示した図であり、いずれも所定間隔の断面における外形線を重ねて示したものである。 第５先頭部形状の平面図、側面図および正面図を示した図であり、いずれも所定間隔の断面における外形線を重ねて示したものである。 第６先頭部形状の平面図、側面図および正面図を示した図であり、いずれも所定間隔の断面における外形線を重ねて示したものである。 第６先頭部形状をグレイスケールで示した平面、側面および正面である。 第１、第２、第３先頭部形状の高速鉄道車両がトンネルに突入した時の圧縮波の圧力勾配分布を比較して示した図である。 第１、第４、第５先頭部形状の高速鉄道車両がトンネルに突入した時の圧縮波の圧力勾配分布を比較して示した図である。 第１、第６先頭部形状の高速鉄道車両がトンネルに突入した時の圧縮波の圧力勾配分布を比較して示した図である。 第１先頭部形状１および第２先頭部形状２の高速鉄道車両がトンネルに突入した時の圧縮波の圧力勾配分布のほぼ全体を比較して示した図である。 特許文献２に記載された、あるパターン１〜４の異なる先頭部形状によって生じる圧縮波の圧力勾配分布を示した図である。

符号の説明

６ 先頭部形状
６１ 顎部
６２ 車体下ライン
６３ ノーズ
６４ 凹部
６５ 車体上面
６６ 運転室部分
６７ 肩部

Claims (2)

1. 先端から最大横断面積となる一般部までの先頭部形状の特定によって微気圧波を低減する高速鉄道車両において、
   車両先頭部の先端部分と一般部直前の後方部分は、車両先頭部のトンネル突入によって発生する圧縮波の圧力勾配分布に各々に対応したほぼ同じ値の極大部を有するように断面積変化率が大きく形成され、その先端部分から後方部分の間の中間部分は、断面積が徐々に僅かずつ大きくなるように断面積変化率が小さく形成され、その先端部分には、上下両方向にせばめられて幅方向に長い扁平形状のノーズと、平滑な下面によって閉じた構造の顎部とが形成され、後方部分には、車体上面を幅方向に狭くし、その車体上面側と車体側面側との間に緩やかな曲面でつなぐ肩部が形成され、前記ノーズと顎部との間で幅方向に凹んだ窪みが後方にまで延びて先頭部形状の側面に溝ラインが形成されたものであることを特徴とする高速鉄道車両。
2. 請求項１に記載する高速鉄道車両において、
   前記顎部の下面は、車両限界で設定された車体下ラインに沿ったものであることを特徴とする高速鉄道車両。