基于凹坑型非光滑表面結構的公路自行車輪組減阻應用分析

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720016

摘要：空氣阻力是公路自行車行進阻力的重要組成部分之一，圍繞如何有效減低空氣阻力已經展開了廣泛的研究并取得了大量應用成果。本文基于非光滑車表自行車的空氣阻力特征，分析凹坑型非光滑表面結構的減阻原理，探究凹坑型非光滑表面設計輪組在公路自行車行進過程中發揮的減阻效用。研究結果表明凹坑型非光滑表面通過凹坑產生紊流來延緩邊界層分離的設計可以有效的平衡氣壓緩解壓差阻力、降低空氣阻力。研究論證了基于凹坑型非光滑表面結構的公路自行車輪組在降低空氣阻力方面的可行性，為公路自行車的減阻研究提供新的思路。

關鍵詞：凹坑型非光滑表面；公路自行車輪組；空氣阻力；減阻效應

目前，公路自行車運動成為現代體育運動中最有影響力的項目之一，在世界范圍內引起了廣泛關注，為了追求更快的速度、更好的成績，圍繞公路自行車運動受力作用分析與如何降低公路自行車運動中的阻力展開了廣泛的研究。隨著設計的不斷優化、新材料的普及應用，公路自行車的研究逐步進入瓶頸。近年來基于凹坑型非光滑表面結構的減阻研究發展十分迅速，然而目前此類研究大多都是集中在汽車動力學、仿生學等領域。因此，本文通過分析基于凹坑型非光滑表面結構的減阻原理，將凹坑型非光滑表面結構設計運用到公路自行車輪組中，分析其減阻效果，以期為公路自行車的制造與研發提供新的思路和見解。

一、公路自行車運動中的阻力分析

（一）公路自行車運動中受到的阻力

公路自行車在行進中受到的阻力主要有四個來源：內部摩擦力、空氣阻力、地面摩擦力及重力等。在公路自行車運動過程中，由于風速與路面環境等外部因素的不確定性，各種阻力在相互作用的情況下將會表現出更為復雜的受力作用過程（見圖1）。

內部摩擦力主要來自花鼓及中軸轉動時及鏈條傳動時產生的摩擦力，當保證鏈條順滑的情況下，內部摩擦力往往很小，且隨車速的增加增福有限。重力對公路自行車的阻力主要體現在上坡運動中，其產生的阻力基本保持不變。地面摩擦力主要取決于摩擦系數與重力的影響，當保持在相同路面運動時，地面摩擦力可視為固定值。根據空氣阻力公式：F=（1/2）CρSV2（C為空氣阻力系數；ρ為空氣密度；S物體迎風面積；V為物體與空氣的相對運動速度）可知，空氣阻力與速度的平方成正比，速度越快，空氣阻力呈非線性增加。因此，當公路自行車在在運動過程中隨著速度的增加，空氣阻力逐漸成為所有阻力中最重要的影響因素（見圖2）。

（二）公路自行車降低空氣阻力的現狀

在公路自行車賽事中，平坦路面的平均速度往往能達到4555km/h，在該情況下下，內部摩擦力、重力及地面摩擦力之和只占所有阻力中很小的一部分，而用來克服風阻阻力所需的功率卻可達到車手輸出總功率的7080%，因此，基于空氣動力學的減阻設計成為了研究熱點。經過不斷的理論研究與摸索實踐，前人已研究出許多蘊含空氣動力學的設計，諸如連身車衣、風動頭盔、氣動車架、氣動剎車等。此類設計均是針對公路自行車裝備中較大部件的提升，隨著技術的成熟與新材料的應用，研究也趨于完善，因此，當下研究的研究熱點便指向了更為微觀的細節調整和優化。

（三）公路自行車降低空氣阻力的思考

近年來，仿生學、流體力學（空氣動力學）等學科均通過研究發現，凹坑型非光滑結構可以改變物體運動時的流場性質，并已經成功應用到各種領域，例如凹坑型高爾夫球比光滑表面的高爾夫球飛行距離更遠，汽車采用凹坑型表面可以提供更好的減阻效率等。以上成功的案例及研究，為公路自行車提高減阻效率提供了新的思路。因此，本文旨在通過分析基于凹坑型非光滑表面結構在空氣阻力中的減阻原理，尋求該結構在公路自行車應用中的理論可行性。

二、凹坑型非光滑表面結構的減阻效應分析

凹坑型非光滑表面結構應用最典型的代表是高爾夫球。有研究表明，凹坑型表面高爾夫球的飛行距離可以達到光滑表面高爾夫球的一倍，而其中的原理主要涉及到流體力學（空氣動力學）。

（一）高爾夫球受到的空氣阻力分析

對于在流體中運動的物體來說，流體對物體產生的阻力主要有三種：分別是粘性阻力、壓差阻力和干擾阻力。粘性阻力是指氣流向物體運動相反的方向流動時所產生的一種阻力，壓差阻力是由于空氣粒子在迎風面受到擠壓密集、背風面分散形成了物體前后不同的壓強差所導致的，干擾阻力是指物體不同部分之間在運動中產生的阻力相互干擾而產生的一種額外阻力。其中，粘性阻力和壓差阻力是影響物體運動的重要因素。

（二）高爾夫球周邊氣流狀態分析

在物體運動過程中，當其流速很小時，流體分層流動，互不混合，此種流況稱為層流。伴隨著流速的增加，流體的流線開始出現波狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流況稱為過渡流；當流速增加到一定程度時，流線不再清楚可辨，流場中有許多小漩渦就稱為紊流（見圖3）。層流狀態下，空氣粒子運動分層流動，各層之間粘滯力大，此時物體運動主要受粘性阻力和壓差阻力的影響。紊流狀態下，空氣粒子運動無序，有隨機性，此時物體運動除受粘性阻力和壓差阻力的影響外，還受到空氣紊動產生的附加干擾力。

在流體力學中，依據物體外部形態的不同，可以分為流線體和鈍體（非流線體），其在運動中各自產生的粘性阻力和壓差阻力的占比也不同。對流線體來說，其受到粘性阻力大于壓差阻力的影響，而鈍體則相反，主要受到壓差阻力的影響。由于高爾夫球為鈍體，因此在其運動過程中，主要受到的空氣阻力為壓差阻力。

高爾夫球在運動時空氣流過的形式為層流，因此，高爾夫球主要受粘性阻力和壓差阻力的影響，且壓差阻力為主要阻力?；谶@樣的情況，如何有效消除粘性阻力和壓差阻力，特別是壓差阻力的影響，成為了影響高爾夫球運動距離的關鍵，凹坑型非光滑表面的設計便應運而生。

（三）高爾夫球的減阻原理分析

壓差阻力的形成與“邊界層分離”有關。在光滑球體的飛行過程中，擾流分離大概發生在球體的兩個極點上，即球體的“分離點”。高爾夫球在運動過程中，其迎風面形成了高氣壓區，背風面形成了低氣壓區，因此不均衡的氣壓水平便形成了阻礙物體前進的氣壓差。高爾夫球表面的坑洞設計可以有效抑制邊界層的分離的紊流產生，當空氣流過高爾夫球“極點”時，在紊流的作用下氣流需要繼續向后到達背風面時發生邊界層的分離（見圖4）。此時球體背風面的低壓區域范圍相應減小，則相當于背風面的壓力相應增大，壓差阻力相應減小，粘性阻力對于球體的影響也相應減小，因此，高爾夫球總體所受阻力得以減小，其飛行距離更遠，即高爾夫球的凹坑型非光滑表面結構在其運動過程中起到了減阻效用。

通過研究測試，記錄了平滑球體和高爾夫球在不同速度下所受風阻的區別（見圖5）。測試結果表明隨著高爾夫球速度的不斷提高，凹坑型表面的高爾夫球相較于平滑表面的高爾夫球受到的空氣中阻明顯更小，且其增幅速度更為緩慢。

三、基于凹坑型非光滑表面輪組的公路自行車減阻應用分析

（一）公路自行車輪組周邊氣流狀態分析

在進一步研究如何減小公路自行車輪組的空氣阻力前，我們首先需要界定輪組在運動中其周邊氣流的運動狀態，為此引入雷諾系數進行判斷。雷諾系數是是流體力學中表征粘性影響的相似準數，是度量流體慣性力與粘性力比值的無量綱量，記做Re，其公式為：

Re=ρvd/μ

其中，v表示流體的流速，ρ為流體的密度，μ為黏性系數，d為特征長度。對于空氣來說，密度和粘性系數近似固定值，那么影響雷諾系數的主要因素是速度和特征長度。當雷諾系數較小時，流體便趨向于層流流動狀態，反之當雷諾系數較大時，流體趨向于紊流流動狀態。

在公路自行車的運動過程中，輪組特征長度相當于輪組的框面高度約4060mm、速度約4555km/h，而高爾夫球運動過程中特征長度約42mm、球速約250km/h，根據雷諾系數公式，空氣流過輪組時的雷諾系數顯著小于高爾夫球運動中的雷諾系數，因此，空氣流過輪組的狀態近似于穩定的層流。在層流的流體狀態下，輪組主要受到空氣阻力為粘性阻力與壓差阻力，同時鑒于輪圈截面為鈍體的特征，其所受的壓差阻力大于粘性阻力。

（二）凹坑型非光滑表面結構在輪組中的應用分析

公路自行車輪組運動過程中氣流的特性與高爾夫球具有極高的相似性，因此凹坑型表面結構在輪組中也存在較相似的應用原理。傳統的公路自行車輪組其表面為光滑的，而采用凹坑型非光滑表面結構的公路自行輪組表面有許多“凹坑”（見圖6）。在輪組運動過程中，這些“凹坑”有助于延緩邊界分離層的分離，減小背風面的低氣壓區范圍，從而有效減少壓差阻力帶來的影響。通過流體動力學的軟件進行模擬分析（見圖7），可以清晰發現凹坑型非光滑表面輪組較光滑表面輪組在相同速度條件下所受風阻更小，其背風區形成的低氣壓區范圍也更小，這一結果與理論分析依據相同。因此，采用凹坑型非光滑表面結構的公路自行輪組在相同的外部條件下，具有更好的克服空氣阻力的效應。

四、結論

隨著當代科技的不斷進步，公路自行車在結構優化、材料應用方面已經取得了巨大的進步，其減阻的方式也日趨成熟和完善。空氣阻力作為影響公路自行車運動的重要因素，如何有效降低空氣阻力意義重大。本文以高爾夫球這一典型代表為例，通過具體分析凹坑型非光滑表面結構在降低空氣阻力中的原理，凹坑型非光滑表面通過凹坑產生紊流來延緩邊界層分離的設計可以有效的平衡氣壓緩解壓差阻力、降低空氣阻力。論證了該結構在公路自行車輪組上的理論可行性，并通過模擬實驗進行了論證，希望可以以此為公路自行車的減阻研究提供新的思路，貢獻微薄的力量。

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作者簡介：顧及誠（1999），漢族，江蘇南京人，學生。