气动性能大揭秘 高框、三叶刀、碟轮风洞测试横向PK(上)

   2018-03-16 09:27

一辆比赛用的自行车,除了车架和变速系统,投入最大的就是那一对轮组了,谁都希望多快好省地搞定一对比赛轮组,并且能借这对轮组提高哪怕是一丢丢的成绩。因此开元老师在给车友和铁友们做Bike Fitting时经常会被问道轮组的选择。

很多朋友其实也做了大量的功课,无奈信息量太大,且很多时候前后不一,难免有夸大其词的成分。加上明星效应,还有五花八门的广告宣传,选择起来更是令人眼花缭乱。最常见的问题有:“大刀我能踩得动吗?”“Froome用的三叉轮到底好不好?”“碟轮值得买吗?”。是不是很熟悉?如果你也有以上疑惑,那今天的文章就是为你准备的!

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▲ 著名的A2风洞

本文我们将聚焦自行车的轮组,为大家带来发表于第48届宇航科学大会(48th AIAA AerospaceScience Meeting)上的一篇文章《A Comparative Aerodynamic Studyof Commercial Bicycle Wheels using CFD》(作者Godo, Corson& Legensky),标题译为“使用CFD对商业成品自行车轮组的空气动力学比较性研究”。

由于原文研究非常深入、数据详尽、篇幅很长,为避免各位读者产生阅读疲劳,故将分篇为大家呈现。

本研究采用CFD(Computational Fluid Dynamics,计算机流体力学)模拟,研究多对商业成品轮组在不同速度和偏航角(yaw angle)下的气动表现。

▼ 受测轮组CFD模拟画面

被研究的轮组包括:Rolf Sestriere(铝合金低框轮组)、HED H3 TriSopke(三叉轮)、Zipp 404和808(Zipp产品线上的常青树)、Zipp1080(已经停产的框高108mm的超级气动轮)、ZippSub-9(针对铁三市场推出的碟轮,意为大铁完赛9小时以内)。

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▲ RolfSestriere铝合金低框轮组,大部分车友铁友眼中的“训练轮”

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▲ 历史悠久但仍受明星车手偏爱的HED H3三叉轮

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▲ Zipp于2008年推出的框高为108mm的气动轮1080,现已停产

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▲ ZippSub-9碟轮,轮廓很“性感”

研究者对上述轮组使用“雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)”(Wiki释义:https://zh.wikipedia.org/wiki/雷诺平均纳维-斯托克斯方程)进行建模,轮子均与地面接触,速度分别为20英里每小时和30英里每小时(约为32公里每小时和48公里每小时)。

经过CFD模拟,可以得到每种轮子的阻力、垂直和侧向受力,从后者的分力中还可能计算出转动力矩,以此来了解轮子的稳定性和操控性。

为了在建模中体现轮子和地面接触时轮胎的变形和接触面积,研究者让一名77公斤的车手以TT姿势骑乘于一辆TT车上,并实际测量了轮胎的形变和与地面接触的面积。 

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▲ 研究所选轮组的框高和截面积形状。上方从左到右:Zipp 404, 808, 1080;下方从左到右:Rolf,HED H3, Zipp Sub-9

建模过程中的模型网格化及CFD模拟的边界条件设置本文就略过不表,对实验技术细节感兴趣的朋友可以自行查阅原文。我们也欢迎对CFD有研究和实操的朋友对技术细节进行补充。

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▲ 车轮结构的网格化建模

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▲ 对车轮周边环境的网格化 

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▲ CFD模拟的边界条件设置

研究对每个车轮在20英里每小时和30英里每小时两种速度下,分别设置10种偏航角进行模拟(0°、2°、5°、8°、10°、12°、14°、16°、18°和20°),如下图所示:

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▲ 转动车轮的受力示意图

下面是大家最感兴趣的结论部分。如下图所示,在0°偏航角下,Zipp 404的CFD模拟数据(黑色和白色圆点)和Zipp自己公布的风洞测试数据(+号)均在之前发表过的数据范围内(红色竖条),意味着数据具有一致性。

另外,本研究中的CFD模拟数据与Zipp自己公布的风洞数据相比,其在不同偏航角下的表现非常相似,它们都在10°偏航角上产生了最低的阻力。Zipp 808的气动特点和404也很类似,最低的空气阻力同样出现在10°偏航角。

图片11.png▲ Zipp404和808的数据比较。黑色圆点和白色圆点分别为本研究中时速20英里每小时和30英里每小时,+号为Zipp自己公布的风洞测试数据,左侧红色竖条为过往不同渠道发布过的研究数据。

本研究中Zipp1080的最低空气阻力出现在10°偏航角,而Zipp公布的风洞数据显示最低阻力出现在15°,两者略有差异,但总体趋势比较接近。对于Zipp Sub-9而言,本研究的数据在0°偏航角时也落于以往发表的数据范围内,模拟数据在8°时出现了一个阻力低点。

但是CFD模拟的结果并没有呈现出Zipp提供的风洞测试所表现出来的“负阻力”(小编注:根据Zipp的数据,在12-13°偏航角时,吹在Sub-9上的风会产生推力,给车手提供额外动力,好像帆船那样。然而CFD模拟未能证实这一点)。在较高的偏航角时,模拟数据和Zipp的风洞数据都呈现出振荡式下降的趋势。

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▲ Zipp1080和Sub-9的数据比较。黑色圆点和白色圆点分别为本研究中时速20英里每小时和30英里每小时,+号为Zipp自己公布的风洞测试数据,左侧红色竖条为过往不同渠道发布过的研究数据。

作者未能找到RolfSestriere的风洞实测数据,但是参考了Greenwell et al.和Tew et al.早先公布的针对Campy Shamal的风洞测试数据。它们都是铝合金低框轮组,在气动特点上也表现得较为相似。HED H3三叉轮比较有意思,其最大空气阻力出现在5-10°偏航角时,这与其它气动轮组刚好相反,另外可以看到三叉轮的空气阻力总体上来说受偏航角的影响不大。

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▲ Rolf和HED H3的数据比较。黑色圆点和白色圆点分别为本研究中时速20英里每小时和30英里每小时,左侧红色竖条为过往不同渠道发布过的研究数据。左侧Rolf的数据中,+号和X号分别为Greenwell和Tew发表的Campy Shamal风洞数据;右侧HED H3的数据中,+号为Zipp公布的风洞测试数据,X号为Greenwell发表的风洞数据。特别需要注意的是,右侧HED H3的红色竖条数据包含着其他品牌的三叉轮测试结果。

作者注意到本研究中CFD模拟的风阻结果均比Zipp提供的风洞数据要低(除了Sub-9的风洞数据在12.5°偏航角出现负阻力的情况以外),这可能是由于本CFD模拟设置的边界条件与Zipp风洞测试的情况不同造成的。

另外一个重要区别是,风洞测试中,地面是静止的,而CFD模拟中,车轮是在地面上滚动的(小编注:即除了车轮本身的旋转外,车轮和地面有相对位移发生)。但除了风阻绝对值上的差别外,总体而言CFD模拟的结果在趋势上和风洞测试数据非常接近。

未完待续

开元观点

这是目前为止我见过的最为全面和严谨的轮组气动性比较研究。尽管文章发表于2010年,所研究的Zipp轮组均为上一代产品,但通过同一代产品的横向比较,我们仍能获取不少有价值的信息作为参考。

从目前的结果来看:

高框气动轮的气动特性都比较类似,在10°偏航角附近出现风阻最小值,区别只是最小值的绝对值大小;

而碟轮尽管无法确定其是否真的具有“帆”一般的作用,在某些风向下推着你往前走,其出色的气动性能已经在本研究中清楚地体现;

比较诡异的是HED H3三叉轮,虽然尚不清楚为何像Wiggins和Froome这样的明星车手如此钟情于三叉轮,但“三叉轮和808哪个快”这个问题我想已经得到了解答。

下期我们将为大家继续更新本研究的其它结果。

 

文:Godo, Corson& Legensky 编译:王开元 编辑:HCY

转载自微信公众号Locomo耐力运动研究院《大刀、三叉还是大饼?(上)| 学术派》

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关键词搜索:高框 三叶刀 碟轮

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