设计世界上最快的自行车

由An万博sys Advantage Staff提供

在竞争激烈的职业自行车比赛中，最微弱的差距——仅仅是几秒钟的问题——可能是获胜和退出奖牌竞争的区别。在个人计时赛中，到达终点往往要比其他数百名竞争对手快几分之一秒。

难怪公路自行车队正在寻找任何可能的道德方法来降低他们的成绩，哪怕只是几毫秒。对于法国的Equipe Cycliste Groupama-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。

在生理学家兼性能总监弗雷德·格拉佩博士(自行车空气动力学专家，通过科学提高训练和性能能力的重要研究作者)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。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，他们的工作包括使用Ansys Fluent进行气流建模，以了解自行车轻型碳框架管的空气动力学。万博仿真帮助设计师简化了框架，以减少阻力。自行车运动员需要对抗速度减慢和空气动力来加快速度，阻力甚至会让训练最好的运动员无法登上领奖台。

更少的阻力，更快的完成

自行车80%的阻力来自人体。因为改变运动员的体型是不可能的，我们最多可以优化他或她的位置。但是，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。

对于偶尔骑自行车穿过公园的人来说，拖拽可能没有什么特别的意义，但某人骑得越快，拖拽的效果就越明显。以世界级的自行车速度对抗阻力需要巨大的耐力和努力。人们普遍认为，一个骑自行车的人以48公里/小时(29.8英里/小时，比环法自行车赛的速度要慢)的速度将花费他或她90%的力量来克服空气阻力。

虽然自行车产生的阻力比骑手小，但即使阻力的增量减少也会对运动员在整个赛道上消耗的能量产生显著影响。更好的空气动力学意味着自行车手可以在比赛中保存能量，以便在关键时刻踢得更大。

对于Groupama-FDJ和Lapierre，使用流利的量化来自Aerostorm DRS框架的每个组件的阻力，使他们能够修改自行车组件的几何形状，并优化某些框架管的形状。与以前的自行车相比，这些修改减少了近7%的阻力。

修改框架管以减少阻力

车架管——组成赛车车架的部件——本质上可以被认为是圆柱体。这听起来相当不重要，直到你想到气缸周围的气流是极其复杂的:它们不稳定，有点违反直觉，并且可以将气流重新定向到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——这个问题在对角线的下管上尤其明显——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，网格的质量是至关重要的;此外，采用三维雷诺平均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过无数风洞试验的验证。

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。以32公里/小时到99公里/小时(20英里/小时到62英里/小时)的速度对组件周围的层流、过渡和湍流进行建模，帮助他们了解气流阻力和循环，并量化自行车不同位置的阻力。事实上，有必要把注意力集中在对全局阻力贡献最大的自行车部件上，以使增益最大化;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，因为它们改变了驱动更多空气到阻力发生器部分的气流。在组件优化和全局减阻之间找到正确的妥协是至关重要的——只有模拟才能以成本和时间有效的方式做到这一点。这在风洞或室内赛车场是不可能做到的。

赢得势均力敌的比赛

这并不是说模拟是自行车设计师工具箱里的唯一工具。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、更自信地创建原型，减少了用“旧”方法创建新产品所需要的反复试验。万博网尽管如此，每个拉皮埃尔自行车模型的原型都要经过专业自行车手的道路测试，他们的反馈会进入下一个迭代。

事实上，当谈到使用建模时，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。包括一级方程式(Formula One)在内的汽车运动已经开始采用模拟技术，美洲杯(America’s Cup)的选手也在使用模拟技术。但自行车界却迟迟没有意识到它的好处。然而，一旦《空中风暴》DRS玩家开始占据榜首，这种情况可能会改变。毕竟，自行车比赛是一场势均力敌的比赛，骑自行车的人会在路上寻找他们能找到的每一秒。如果模拟技术可以帮助我们发现这里一秒，那里一秒，那么它很可能被视为自行车设计以及最终赛车成功的关键。