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气动性能大揭秘 高框、三叶刀、碟轮风洞测试横向PK(上)

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2018-03-18Locomo耐力运动研究院 嘉毅

气动性能大揭秘 高框、三叶刀、碟轮风洞测试横向PK(上)

[自行车之家 单车评测] 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

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