VIP免费文章|深度研究:对于大组赛空气阻力的CFD模拟以及风洞测试的新见解(1)-领骑网

文摘

车手主要集中在一起,以减少空气阻力和能量消耗。

先前的研究显示,一群车手在同一速度下骑行,他们的阻力会减少到70%-50%,而这些数据也被用于大组赛空气阻力的研究中。

然而,人员密度更大的大集团,可以预期会有更大的阻力下降。

本文系统地研究了121位车手通过高分辨率CFD模拟大集团空气阻力,每辆车间距仅有0.02mm,总实验样本可达到2,980亿,由四个不同的风洞以及121位车手进行动态验证。

与单个车手相比,大集团所有车手所受的空气阻力都有所下降,甚至大集团中后部的空气阻力能减至单个车手所受到空气阻力的5%-10%。

大集团行进速度是对于单个车手的等效速度的4.5倍-3.2倍。

这些结果可用于改进轮流破风战略,并且证明以前“关于大集团减少空气阻力”的部分假设是不正确的。

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简介

车手主要集中在一起骑行,以减少空气阻力和能量消耗(见上图)。

众所周知,前面的车手受到的阻力最大。因此,在前面骑了一段时间后,这些车手会退回大集团中后部,以恢复体力,其他人会接管破风位置。

一般情况下,每个车队的主将以及冲刺手都不会参与破风,而是呆在集团内尽可能地节省能量,直到比赛最关键的位置才发力。

这个关键点可能是长距离爬坡,也可能是拉散大集团的突围,也可能是集团冲刺。

在三大大环赛中,车手的耐力和疲劳程度是在比赛第三周是获胜的关键。

因此,车手必须不断地集中能量发力于关键赛段中(诸如山地赛段或计时赛)。

平路大组赛是通过大集团破风手破风从而减少个体车手的能量消耗。

那么,这个空气阻力在大集团内躲风实际上减少了多少?在减少阻力方面哪些位置是最有利的?在集团前面的车手的阻力是多少?

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提高自行车竞技速度的最大潜力在于空气动力学的研究,以比赛的速度(平路赛竞争激烈的速度大约54 km / h)来算,空气阻力占了约90%的总阻力

空气阻力可以通过实地试验、风洞测试或计算流体动力学数值模拟来评估。

CFD模拟是在空力工程中的一种计算应用,其在过去的50年里得到了快速发展。作为空力工程的一部分,循环空气动力学领域也采用了CFD

大多数关于自行车空气动力学的研究都集中在单个车手的阻力上,却对于牵引效果的分析有较少关注。

在牵引力方面,两个或两个以上车手靠在一起,可以减少空气阻力。这样,躲风车手可以从破风手背后的低压区获益。

在早期风洞实验中,研究人员研究了5名车手在计时赛姿势下的阻力,再后期又研究了6名车手在计时赛姿势下的阻力。

最近,布洛肯团队基于CFD模拟和风洞测量,研究了1名破风手在牵引躲风车手情况下对空气动力学的收益。

研究发现,由于尾流对躲风车手影响较小,躲风车手相对破风手的阻力可降低近3%。

后来,Defraeye(无译名)证实了这一效应,他们研究了4名车手进行团队追击时的空气阻力。

布洛肯团队做了一个特殊的牵引案例,通过汽车破风来评估了自行车的气动效益,又再评估了一辆、两辆或三辆摩托车对自行车的气动效益。

曼尼翁团队还分析了一个特殊的牵引案例,即残奥会双人自行车比赛中两位车手之间的相互作用,在这种情况下,两名运动员在互相牵引方面的数据比在常规自行车比赛中更为接近。

然而,就我们所知,尚未对大集团车手进行空气动力阻力的研究。

之前,对于小型长队中车手的空气阻力调查结果显示,单个车手的空气阻力减少了50%。

这些结果可能导致了一个普遍的假设,即大集团中车手的阻力也会下降到50%左右。

例如,高卢团队在最近开发的一个车手摆脱大集团的数学模型中假设,在大集团中车手的阻力比单个骑手的阻力减少了70%。

这是基于凯尔团队的研究,该研究表明躲风手直接跟在破风手后面,会减少大约三分之一的阻力。

拉塔梅罗团队在开发他们的大集团空气动力学数学模型时,明确地指出:“当一个车手不在另一分车手正后方时,没有广泛的研究绘制系数,因为关于大集团的绘制数据很少,所以我们只能知道,在多个车手背后躲风比在一个车手背后躲风更有效益。

事实上,对于一名车手来说,在大集团人员拥挤的山地赛中段,有多排的车手可以避风,相比于仅仅几个车手的简单直线模型,可以预期更大的减阻效果,阻力能减少到单个车手阻力的70%-50%。

一位专业研究自行车的专家,他提到:“一个车手位于大集团中心位置,几乎不需要怎么踩踏和极低的能量消耗。”

这一明显的矛盾表明,关于大组赛的大集团空气阻力的科学信息很少。目前还不知道大集团内部的阻力实际上减少了多少,也不知道哪些位置在减少阻力方面最有利,我们也不知道破风手会遇到多大的阻力。

因此,我们将系统地研究了121名车手的大集团空气阻力,大集团会有两种不同的密度,包括较后位置的车手,利用三维雷诺兹平均方程(RANS)和过渡SST K-ω模型进行了高分辨率CFD模拟

这些模拟通过四种不同的风洞测试得到验证,其中一种是121个车手“四分之一刻度”模型。

从平均速度、平均压力系数、减阻率和单个车手等效速度等方面对计算结果进行了分析,我们将其定义为单个车手的等效速度,其产生的阻力会与大集团中的车手相同。

《深度研究》系列结构简介

报告自行车几何和大集团结构的影响;

介绍了三个子结构验证研究;

概述了大集团结构的风洞测试;

概述了单个车手的CFD模拟,作为大集团研究的参考;

描述了CFD模拟两种大集团结构的结果;

讨论以及总结全文。

更新需时,未完待续。

笔者语:本文更多的是让车友们了解到自行车竞技边际效应的魅力,以及让进阶型车友思考如何更精准地提高竞技水平。

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原文:ScienceDirect

翻译、责任编辑:唐国超