大刀、三叉還是大餅？（上）

來自專欄開元講堂

Note:本文引自我們的公號「LOCOMO耐力運動研究院」大刀、三叉還是大餅？（上）| 學術派

看了標題各位千萬別以為誤入了美食頻道，小編啃雞腿是直接用手抓的，沒有用刀叉。對自行車裝備感興趣的朋友估計已經猜到標題中的「黑話」各指的是什麼？！

沒錯，我們在說輪組。

一輛比賽用的自行車，除了車架和變速系統，投入最大的就是那一對輪組了，誰都希望多快好省地搞定一對比賽輪組，並且能借這對輪組提高哪怕是一丟丟的成績。因此開元老師在給車友和鐵友們做bike fitting時經常會被問道輪組的選擇。

很多朋友其實也做了大量的功課，無奈信息量太大，且很多時候前後不一，難免有誇大其詞的成分。加上明星效應，還有五花八門的廣告宣傳，選擇起來更是令人眼花繚亂。最常見的問題有：「大刀我能踩得動嗎？」「Froome用的三叉輪到底好不好？」「碟輪值得買嗎？」。是不是很熟悉？

如果你也有以上疑惑，那今天的學術派就是為你準備的！

本期學術派我們聚焦自行車的輪組，為大家帶來發表於第48屆宇航科學大會（48th AIAA AerospaceScience Meeting）上的一篇文章《A Comparative Aerodynamic Studyof Commercial Bicycle Wheels using CFD》（作者Godo, Corson& Legensky），標題譯為「使用CFD對商業成品自行車輪組的空氣動力學比較性研究」。

由於原文研究非常深入、數據詳盡、篇幅很長，為避免各位讀者產生閱讀疲勞，故將分篇為大家呈現。

本研究採用CFD（Computational Fluid Dynamics，計算機流體力學）模擬，研究多對商業成品輪組在不同速度和偏航角（yaw angle）下的氣動表現。

▼ 受測輪組CFD模擬畫面

被研究的輪組包括：Rolf Sestriere（鋁合金低框輪組）、HED H3 TriSopke（三叉輪）、Zipp 404和808（Zipp產品線上的常青樹）、Zipp1080（已經停產的框高108mm的超級氣動輪）、ZippSub-9（針對鐵三市場推出的碟輪，意為大鐵完賽9小時以內）。

研究者對上述輪組使用「雷諾平均納維－斯托克斯方程（RANS）」（Wiki釋義：https://zh.wikipedia.org/wiki/雷諾平均納維－斯托克斯方程）進行建模，輪子均與地面接觸，速度分別為20英里每小時和30英里每小時（約為32公里每小時和48公里每小時）。

經過CFD模擬，可以得到每種輪子的阻力、垂直和側向受力，從後者的分力中還可能計算出轉動力矩，以此來了解輪子的穩定性和操控性。

為了在建模中體現輪子和地面接觸時輪胎的變形和接觸面積，研究者讓一名77公斤的車手以TT姿勢騎乘於一輛TT車上，並實際測量了輪胎的形變和與地面接觸的面積。

建模過程中的模型網格化及CFD模擬的邊界條件設置本文就略過不表，對實驗技術細節感興趣的朋友可以自行查閱原文。我們也歡迎對CFD有研究和實操的朋友對技術細節進行補充。

研究對每個車輪在20英里每小時和30英里每小時兩種速度下，分別設置10種偏航角進行模擬（0°、2°、5°、8°、10°、12°、14°、16°、18°和20°），如下圖所示：

下面是大家最感興趣的結論部分。如下圖所示，在0°偏航角下，Zipp 404的CFD模擬數據（黑色和白色圓點）和Zipp自己公布的風洞測試數據（+號）均在之前發表過的數據範圍內（紅色豎條），意味著數據具有一致性。

另外，本研究中的CFD模擬數據與Zipp自己公布的風洞數據相比，其在不同偏航角下的表現非常相似，它們都在10°偏航角上產生了最低的阻力。Zipp 808的氣動特點和404也很類似，最低的空氣阻力同樣出現在10°偏航角。

本研究中Zipp1080的最低空氣阻力出現在10°偏航角，而Zipp公布的風洞數據顯示最低阻力出現在15°，兩者略有差異，但總體趨勢比較接近。對於Zipp Sub-9而言，本研究的數據在0°偏航角時也落於以往發表的數據範圍內，模擬數據在8°時出現了一個阻力低點。

但是CFD模擬的結果並沒有呈現出Zipp提供的風洞測試所表現出來的「負阻力」（小編註：根據Zipp的數據，在12-13°偏航角時，吹在Sub-9上的風會產生推力，給車手提供額外動力，好像帆船那樣。然而CFD模擬未能證實這一點）。在較高的偏航角時，模擬數據和Zipp的風洞數據都呈現出振蕩式下降的趨勢。

作者未能找到RolfSestriere的風洞實測數據，但是參考了Greenwell et al.和Tew et al.早先公布的針對Campy Shamal的風洞測試數據。它們都是鋁合金低框輪組，在氣動特點上也表現得較為相似。HED H3三叉輪比較有意思，其最大空氣阻力出現在5-10°偏航角時，這與其它氣動輪組剛好相反，另外可以看到三叉輪的空氣阻力總體上來說受偏航角的影響不大。

▲ Rolf和HED H3的數據比較。黑色圓點和白色圓點分別為本研究中時速20英里每小時和30英里每小時，左側紅色豎條為過往不同渠道發布過的研究數據。左側Rolf的數據中，+號和X號分別為Greenwell和Tew發表的Campy Shamal風洞數據；右側HED H3的數據中，+號為Zipp公布的風洞測試數據，X號為Greenwell發表的風洞數據。特別需要注意的是，右側HED H3的紅色豎條數據包含著其他品牌的三叉輪測試結果。

作者注意到本研究中CFD模擬的風阻結果均比Zipp提供的風洞數據要低（除了Sub-9的風洞數據在12.5°偏航角出現負阻力的情況以外），這可能是由於本CFD模擬設置的邊界條件與Zipp風洞測試的情況不同造成的。

另外一個重要區別是，風洞測試中，地面是靜止的，而CFD模擬中，車輪是在地面上滾動的（小編註：即除了車輪本身的旋轉外，車輪和地面有相對位移發生）。但除了風阻絕對值上的差別外，總體而言CFD模擬的結果在趨勢上和風洞測試數據非常接近。

未完待續......

開元觀點

這是目前為止我見過的最為全面和嚴謹的輪組氣動性比較研究。儘管文章發表於2010年，所研究的Zipp輪組均為上一代產品，但通過同一代產品的橫向比較，我們仍能獲取不少有價值的信息作為參考。

從目前的結果來看：

高框氣動輪的氣動特性都比較類似，在10°偏航角附近出現風阻最小值，區別只是最小值的絕對值大小；

而碟輪儘管無法確定其是否真的具有「帆」一般的作用，在某些風向下推著你往前走，其出色的氣動性能已經在本研究中清楚地體現；

比較詭異的是HED H3三叉輪，雖然尚不清楚為何像Wiggins和Froome這樣的明星車手如此鍾情於三叉輪，但「三叉輪和808哪個快」這個問題我想已經得到了解答。

下期學術派我們將為大家繼續更新本研究的其它結果。