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以微秒之差獲勝關鍵: 用Ansys設計世界上最快的自行車

  • 2022/3/22 0:0

在競爭激烈的職業自行車世界中,最微弱的差距——僅僅幾秒鐘——可能是贏得和結束獎牌爭奪的區別。在個人計時賽中,到達終點線通常比其他數百名競爭對手快幾分之一秒。

 

難怪公路自行車隊正在尋找任何可能的道德方式來減少他們的表現甚至毫秒。對於法國的 Equipe Cycliste Groupama-FDJ,他們超越競爭對手的計劃部分取決於空氣動力學模擬。 

 

由生理學家兼性能總監 Fred Grappe 博士領導,他是自行車空氣動力學專家,也是通過科學提高訓練和性能能力的重要研究的作者。Groupama-FDJ 2019 年著手設計,他們相信Aerostorm DRS將被證明是有史以來的最快的自行賽車。與合作夥伴Lapierre Bikes以及埃因霍溫大學風洞科學主任、埃因霍溫科技大學和魯汶大學教授Bert Blocken教授合作,他們的工作包括使用Ansys Fluent進行氣流建模,以了解自行車輕質碳纖維車架管的空氣動力學特性。模擬分析幫助設計師簡化框架以減少阻力。騎自行車的人需要對抗以加快速度的減速空氣動力,阻力甚至可以讓訓練有素的運動員遠離頒獎台。

 

Stefan Kung, photo credit: Presse Sports

 

更少的阻力,更快的完成

 

自行車上百分之八十的阻力來自人體。因為不可能改變運動員的體型,所以我們最多只能優化他或她的位置。但是,我們可以修改自行車的形狀以減少阻力。小小的收穫可以帶來很大的不同。

對於騎自行車穿過公園的休閒騎手來說,阻力可能沒有多大意義,但騎車越快,效果就越明顯。以世界級的自行車速度對抗阻力需要巨大的耐力和努力。人們普遍認為,以每小時48公里(29.8英里/小時,比典型的環法自行車賽速度慢)的騎行者將花費90%的力量來克服空氣阻力。

儘管自行車產生的阻力比騎手少,但即使是逐漸減少阻力也會對運動員在整個自行車賽道上消耗的能量產生顯著影響。更好的空氣動力學性能意味著騎自行車的人可以在整個比賽過程中節省能量,以便在關鍵時刻獲得更大的衝擊力。 

對於Groupama-FDJ和Lapierre,使用Fluent量化來自Aerostorm DRS車架每個組件的阻力,使他們能夠修改自行車組件的幾何形狀並優化某些車架管的形狀。與以前的自行車相比,這些修改減少了近7%的阻力。

 

修改框架管以減少阻力

 

車架管——構成賽車車架的部件——基本上可以被認為是氣缸。這聽起來相當不重要,直到您考慮到氣缸周圍的氣流非常複雜:它們不穩定,有點違反直覺,並且可能將氣流重定向到非預期中的自行車或運動員身上。再加上自行車車架組件對彼此的空氣動力學產生負面影響這一事實——這個問題在對角下管部分尤為明顯——這使得研究空氣動力學現象更具挑戰性。為了正確捕捉這些複雜的流動模式,網格的品質至關重要;靠近管子的網格厚度遠小於一毫米。此外,使用3D Reynolds 平均 Navier-Stokes (RANS) 方程和 Transition SST kw 模型執行高分辨率CFD模擬;這些電腦分析模型已通過大量風洞測試得到驗證。

通過在Fluent中模擬每個框架管,Aerostorm DRS設計團隊能夠克服這些障礙。以每小時約32公里至每小時99公里(20英里至62英里)的速度對組件周圍的層流、過渡和湍流進行建模,幫助他們了解氣流阻力和循環,並量化自行車上不同位置的阻力。確實,必須關注自行車中對全局阻力貢獻最大的部分,以最大限度地提高增益;另一方面,某些部件的空氣動力學的局部改進可能會對整體阻力產生負面影響,因為它們正在改變氣流,將更多的空氣驅動到阻力發生器部分。在零組件優化和全局減少阻力之間找到正確的折衷方案至關重要——只有模擬才能以經濟高效的方式實現這一點,這在風洞或賽車場是永遠無法實現的。

 

贏得一場勢均力敵的比賽

 

這並不是說模擬現在是自行車設計師工具包中的唯一工具。模擬並沒有取代風洞或地面測試,而是與它們攜手並進。它允許更快、更自信的原型製作,減少以“舊”方式創建新產品的反覆試驗。儘管如此,每個Lapierre Bikes模型的原型都經過專業自行車手的道路測試,其反饋會進入下一次迭代。 

事實上,在使用建模方面,Groupama-FDJ團隊作為早期採用者的地位使他們在他們的運動中有些異類。包括一級方程式在內的賽車運動已經採用了模擬,美洲杯賽車手也在使用它。但自行車世界在發揮其優勢方面的速度較慢。然而,一旦 Aerostorm DRS 車手開始位居榜首,這種情況可能會改變。畢竟,自行車比賽是一場勢均力敵的比賽,騎自行車的人在路上尋找他們能找到的每一秒。如果模擬可以幫助發現一秒又一秒的降低,那麼它可能被視為自行車設計以及最終賽車成功的關鍵。 

 

資料來源: Ansys Blog