设计世界上最快的自行车

由ANSYS优势人员

在专业骑自行车的竞争激烈的世界中，最苗条的利润率（仅几秒钟）可能是赢得奖牌争夺的胜利和结束之间的区别。在单个计时试验中，完全归结为比其他数百名竞争对手要快的速度要快的速度要快。

难怪公路自行车团队正在寻找任何道德方式，以剃光他们的表现。对于法国的Equipe Cycliste Groupama-FDJ，他们的比赛超过比赛的计划部分是在空气动力学模拟上进行的。

由生理学家兼表演局长弗雷德·格雷普（Fred Grappe）博士（骑自行车的空气动力学专家，也是通过科学提高培训和绩效能力的重要研究的专家）的主管 - Groupama-FDJ于2019年开始设计他们认为将被证明是最快的东西赛车自行车，Aerostorm Drs。与合作伙伴Lapierre自行车和Bert Blocken教授，Eindhoven Wind Tunnel的科学主任以及Eindhoven技术大学和Ku Leuven的教授，他们的努力包括使用ANSYS Fluent的气流建模来了解自行车轻量级碳纤维框架管的空气动力学。仿真帮助设计师简化了框架以减少阻力。骑自行车的人需要反击更快的速度，空气动力的力量，拖动甚至可以使训练有素的运动员从领奖台上保持最佳。

更少的阻力，更快的效果

骑自行车的拖曳量中有80％来自人体。因为不可能改变运动员的形状，所以我们充其量可以优化他或她的位置。但是，我们可以修改自行车的形状以减少阻力。小收益可以带来很大的差异。

对于穿越公园的休闲自行车骑手来说，阻力可能不是很有意义，但是骑自行车的速度越快，效果就越明显。在世界一流的骑自行车速度下的阻力需要巨大的耐力和努力。人们普遍认为，骑自行车的人每小时48公里（29.8英里 /小时，比典型的环法自行车赛慢）将花费他或她的力量的90％，只是试图克服空气动力学的阻力。

尽管自行车产生的阻力少于骑手，但即使是逐渐减少的拖拉也可以在运动员在整个赛马场上花费多少能量产生重大影响。更好的空气动力学意味着骑自行车的人可以在整个比赛中节省能量，从而在关键时刻进行更大的踢球。

用于Groupama-FDJ和Lapierre，使用流利为了量化来自AeroStorm DRS框架的每个组件的阻力，使它们能够修改自行车的几何形状，并优化某些框架管的形状。与以前的自行车相比，这些修饰导致近7％的阻力减少。

修改框架管以减少阻力

框架管（包括赛车框架的组件）基本上可以将其视为气缸。这听起来很不重要，直到您考虑到气缸周围的气流非常复杂：它们不稳定，有些违反直觉，并且可以将气流重定向到自行车或运动员的意外部分。此外，自行车框架的组件对彼此的空气动力学产生负面影响（这是对角下导管尤其明显的问题），这使得研究空气动力学现象更具挑战性。为了正确捕获这些复杂的流动模式，网格的质量是必不可少的。靠近管子的细胞的厚度比mm小得多。此外，使用3D Reynolds平均Navier-Stokes（RANS）方程和过渡SST K-W模型进行高分辨率CFD模拟。这些计算机模型已通过众多风洞测试验证。

通过模拟流利的每个框架管，Aerostorm DRS设计团队能够克服这些障碍。以从每小时约32公里至每小时99公里（20 mph至62 mph）的速度围绕组件周围的层流，过渡性和湍流，这有助于他们了解气流的阻力和循环，并量化自行车上不同位置的阻力。确实，必须专注于自行车的各个部分，这些部分对全球阻力最大化，以最大程度地提高收益。另一方面，某些组件的空气动力学的局部改进可能会对全球阻力产生负面影响，因为它们正在修改驱动更多空气到阻力发电机部分的气流。必须在组件优化和全局拖放之间找到正确的折衷，这是至关重要的 - 只有模拟才能以成本和时间有效的方式进行。这永远无法在风洞或赛车场中完成。

赢得近距离比赛

这并不是说仿真现在是自行车设计师套件中唯一的工具。模拟尚未替换风洞或接地测试，而是与它们并肩作用。它允许更快，更自信的原型制作，并且更少的试用版以“旧”方式创建新产品。尽管如此，每种Lapierre自行车模型的原型还是由专业骑自行车的人进行了道路测试，该骑自行车的人反馈进入了下一次迭代。

实际上，在使用建模方面，Groupama-FDJ团队成为早期采用者的地位使他们在运动中有些异常。包括一级方程式赛车在内的赛车运动也接受了模拟，美国的杯赛也正在使用它。但是，自行车界的收益较慢。但是，一旦AeroStorm DRS骑手开始在顶级景点完成比赛，这种情况可能会改变。毕竟，自行车赛车是一场近距离比赛，骑自行车的人在路上可以找到每一秒钟。如果模拟可以帮助在这里发现一秒钟和一秒钟，那么它可能被认为是自行车设计至关重要的，最终是赛车成功。