设计世界上最快的自行车

By 万博Ansys Advantage Staff

在竞争激烈的职业自行车赛中，哪怕是最微小的差距——仅仅几秒钟的差距——也可能决定着选手是赢得冠军，还是最终无缘奖牌争夺。在个人计时赛中，能否冲过终点线，归根结底就是比其他数百名选手快几分之一秒。

难怪公路自行车队都在寻找任何合乎道德的方法，尽可能地将成绩缩短几毫秒。对于法国的Equipe Cycliste group - fdj来说，他们超越竞争对手的计划在一定程度上依赖于空气动力学模拟。

在生理学家和性能总监Fred Grappe博士的带领下，Groupama-FDJ于2019年开始设计他们认为将被证明是有史以来最快的赛车Aerostorm DRS。Fred Grappe博士是自行车空气动力学专家，也是通过科学提高训练和性能能力的重要研究作者。与合作伙伴Lapierre Bikes和埃因霍温大学风洞科学主任、埃因霍温科技大学和鲁汶大学教授Bert Blocken教授合作，他们的努力包括使用Ansys Fluent进行气流建模，以了解自行车轻质碳框架管的空气动力学。万博仿真帮助设计师简化框架以减少阻力。骑自行车的人需要对抗速度减慢的空气动力，以更快地移动，阻力甚至可以使最训练有素的运动员远离领奖台。

阻力更小，完成速度更快

自行车上百分之八十的阻力来自人体。因为改变运动员的体型是不可能的，我们最多只能优化他或她的姿势。不过，我们可以修改自行车的形状来减少阻力。小的收获可以带来大的不同。

对于在公园里随意骑自行车的人来说，阻力可能不是特别有意义，但骑得越快，这种影响就越明显。在世界级的自行车速度下对抗阻力需要巨大的耐力和努力。人们普遍认为，骑自行车的人以每小时48公里(29.8英里)的速度骑行，比环法自行车赛的典型速度要慢，他或她将花费90%的精力来克服空气动力学阻力。

虽然自行车产生的阻力比骑手小，但即使阻力的增加也会对运动员在整个赛道上消耗的能量产生显著的影响。更好的空气动力学意味着自行车手可以在整个比赛中保存能量，以便在关键时刻踢出更大的一脚。

对于Groupama-FDJ和Lapierre，使用流利的为了量化来自Aerostorm DRS车架每个组件的阻力，他们可以修改自行车组件的几何形状，并优化某些车架管的形状。与以前的自行车相比，这些改进使阻力减少了近7%。

修改框架管以减少阻力

车架管——构成赛车车架的部件——基本上可以被认为是汽缸。这听起来相当不重要，直到你考虑到气缸周围的气流是极其复杂的:它们是不稳定的，有点违反直觉，可以将气流转向自行车或运动员意想不到的部位。再加上自行车车架组件会对彼此的空气动力学产生负面影响——这个问题在斜线下水管上尤为明显——这使得研究空气动力学现象变得更具挑战性。为了正确地捕捉这些复杂的流动模式，网格的质量是必不可少的;此外，采用三维Reynolds平均Navier-Stokes (RANS)方程和Transition SST k-w模型进行了高分辨率CFD模拟;这些计算机模型已经通过了大量的风洞试验。

通过在Fluent中模拟每个框架管，Aerostorm DRS设计团队能够克服这些障碍。模拟层流、过渡气流和紊流在组件周围的速度从32公里每小时到99公里每小时(20英里每小时到62英里每小时)，帮助他们了解气流阻力和循环，并量化自行车上不同地方的阻力。事实上，必须关注对全球阻力贡献最大的自行车部件，以最大限度地提高收益;另一方面，某些部件的局部空气动力学改进可能会对整体阻力产生负面影响，因为它们正在改变气流，使更多的空气进入产生阻力的部分。在组件优化和全局减阻之间找到适当的折衷是至关重要的——只有仿真才能以成本和时间效益的方式做到这一点。这在风洞或赛车场是不可能实现的。

赢得一场势均力敌的比赛

这并不是说模拟现在是自行车设计师工具包中唯一的工具。模拟并没有取代风洞或地面测试，但与它们携手并进。它允许更快、更有信心地创建原型，并且减少了以“旧”方式创建新产品的试错过程。万博网尽管如此，每一款拉皮埃尔自行车模型的原型都由一位专业自行车手进行道路测试，他的反馈将用于下一次迭代。

事实上，当涉及到使用建模时，Groupama-FDJ团队作为早期采用者的地位使他们在他们的运动中有点异类。赛车运动，包括一级方程式赛车，已经接受了模拟，美洲杯赛车手也在使用它。但自行车界却迟迟没有意识到它的好处。然而，一旦Aerostorm DRS车手开始名列前茅，这种情况可能会改变。毕竟，自行车比赛是一项势均力敌的比赛，骑自行车的人在路上争分夺秒。如果模拟能够帮助我们发现这一秒和那一秒，那么它很可能会被视为自行车设计乃至最终赛车成功的关键。