流体力学在自行车外形设计中的应用

鲍倚天

摘 要：本文主要通过流体力学理论，对自行车在行驶过程中的作用力影响进行分析，对自行车外形设计提出了一些意见和建议。本文将对自行车行驶时的空气阻力空气阻力、表面的压强、气动升力、气动侧力等不可忽视的关键因素进行具体分析，以期探讨流体力学在自行车外形设计中的应用。

关键词：空气阻力;流体力学;自行车设计

自行车最早作为一种代步工具，曾经是街头的一道亮丽风景，随着汽车的发展、环保意识的增强、健身需求的增加，自行车开始作为一种健身、运动工具又开始逐步风靡起来。同时，作为城市交通拥堵、环保角度，对于大城市，自行车出行也被大力推崇，在北京，许多地方开始出行了一卡通租赁自行车的网店。

1 空气阻力的形成及其影响

空气阻力的计算公式如下：

上式中：C为空气阻力系数，该值通常是实验值，和物体的特征面积（迎风面积），物体光滑程度和整体形状有关;ρ为空气密度，正常的干燥空气可取1.293g/l，特殊条件下可以实地监测;S物体迎风面积;V为物体与空气的相对运动速度。由上式可知，正常情况下空气阻力的大小与空气阻力系数及迎风面积成正比，与速度平方成正比。为了减少行驶时的空气阻力，主要应减小迎风面积和空气阻力系数。自行车在空气中运动，空气本身也在流动，两者综合形成的相对运动，造成对自行车骑行阻力。迎风面积在很大程度上取决于自行车的结构、配件的尺寸大小和外形设计，减小空气阻力主要依赖于空气阻力系数的减小，同时，在高速行驶中，气流产生的升力也会影响到自行车的附着力，尤其是对于逆风行驶和包含较多横板材配件的自行车。

2 自行车骑行中空气流体力学特点

在自行车的行驶过程中的压力阻力一是来自车和人的前部气流被紧挤，产生对抗车和人前进的正压力;二是来自在后部和拐角处空气变得稀薄而引起涡流，产生将车和人吸住的负压。构成磨擦阻力的因素与车和人的表面平整、光滑度和外形大小有关，此外还与挥动脚蹬时的空气阻力和车轮转动的空气阻力有关。

对于自行车和骑行者，空气阻力分为摩擦阻力和压力阻力。摩擦阻力是由空气的粘性在车身和骑行者表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力;压力阻力则是作用在自行车和骑行者及其相关配件表面上的正压力的合力在行驶方向的分力，它可分为形状阻力、干扰阻力、内循环阻力和诱导阻力。其中，形状阻力占压力阻力的大部分，与车身形状有直接关系;干扰阻力是自行车及骑行者表面突起部分引起的气流干扰而产生的阻力;诱导阻力则是空气升力在水平方向的分力。在行驶过程中，随着速度的提高，空气阻力也随之增加，

下面的图片来自知名空气动力学自行车品牌Cervelo的产品宣传资料，从中可以看出空气动力学的重要。

图1自行车骑行中空气流体力

3 气流阻力对前后挡板和高把自行车骑行的影响

气流升力对自行车性能也存在一定的影响，在平地行驶过程中相对影响不大，但是在大风天气的山地骑行中仍然值得注意。当空气流经上下表面不对称的扁形物体时，空气质点流经上表面的路程比下表面的路程长，而流经后的空气质点又必须同时在后缘汇合，因此流经上挡板面的空气质点速度比流经下挡板面空气质点速度高。根据伯努利定理可知，上板面的静压比下板面的静压小，从而在上下挡板面间产生压差，产生升力。气动升力将减小自行车轮胎对地面的压力，影响动力性和制动性能，同时，使轮胎侧向附着力和侧偏刚度降低，影响自行车的行驶稳定性。自行车所受的气动力和气动力矩大小均与车速的平方成正比。当自行车低速行驶时，所受的气动力和气动力矩对自行车性能影响较小。

当自行车高速行驶时，气动力对各性能的影响则需要注意。以气流阻力为例，前挡板自行车的滚动阻力受空气升力的影响是随自行车速度增加而减少的;而自行车的气动阻力则是随着车速的增加以二次方的速度增加。

图2升力与阻力

4 气流侧力对实心轮毂自行车性能的影响

自然侧风是大自然大气流动形成的，按照不同类型又包括稳态和非稳态风。侧风的大小和方向都是随时间随机变化的，稳态侧风按照风速的变化包括常量、线性变化、阶梯变化、正弦变化。假设自行车行驶运动方向一致的气流速度为，侧风的风速为，侧风作用时相对于自行车运动的速度为，气流的方向与自行车轴线的夹角为。

则其气动侧向力可表示为：外形不对称、横偏角（气流与自行车纵对称面夹角）产生气动侧力。对于实心轮毂和连接体部分面积较大的自行车，受侧向风时，就会在车身侧板的侧向边缘处引起非常强烈的气流。此外，它还破坏了自行车前部与后部之间空隙处正常的小涡流状态，而从背风面沿车身侧壁移动，在范围内形成旋涡稠密气流区，这就使车身正前方的阻力明显地增大，从而使自行车迎风面积上的空气阻力大为增加，将使自行车相对原直线行驶方向发生偏移。

图3 气流速度矢量图

5 自行车设计对风阻的影响

如今在计时赛及铁人三项赛中，低风阻手把、低风阻轮、碟轮、流线型安全帽、水滴型管材车架，仍属UCI合法范围，从事竞赛的车手，为了更好的成绩，都在致力于减低器材以及姿势上的风阻。通过对风阻的减小，可以有效节约骑行者的体力、增加骑行速度，

空气动力特性方面以碟轮、板轮为佳，且越宽者越佳，钢丝数目越少，钢丝越扁，也越佳。不过空气动力特性越佳。不过在实际设计中还需要同时考虑逆风和顺风两种情况的影响。此外，自行车的阻风面有主要还包括来自身体，车架，手把，车衣，水壶架，安全帽，大齿盘，前煞车等方面的阻力。总体上，人体阻力约占70/%，自行车阻力可以占到30/%左右。以下为某自行车在25英里（42.25公里）的个人计时赛改变设定和可节省时间的比较（单位：秒）。

Specialized S-Works Venge是充分考虑空气动力的典型例子，该自行车根据空气动力学设计的碳纤维车架，其后上参考了飞机机翼的设计，采取FACT碳纤维弧面翼型，减少了空气阻力。能有效减少空气阻力，使得骑行更快更顺畅。而自行车的头管尺寸也是按照符合空气动力学标准进行特殊设计，从顶部到底部去除了所有尖锐的部分，增加刚性与强度，减少了空气阻力。Specialized S-Works Venge的前也是也采取了符合UCI标准的空气动力学碳纤维，还提高了强度，增加了坚固性，同时，该车的车架均采用内部走线方式，内走线从手把进入到车架，然后从牙盘头管处出来，提供了有效的稳定性与刹车表现同时，也利于减少空气阻力。

表1改变构建所节省的时间

改变构件                                           节省时间

传统钢丝班轮                                             30

低阻风车架                                                42

计时赛手把                                             30-60

连身长袖车衣                                           14-25

低阻水壶架及水壶                                           14

低风阻安全帽                                            20-25

卡式踏板、鞋套                                              9

低风阻大齿盘                                                6

前后碟轮轮组                                               70

下把位                                                   180

图4自行车的设计

6 结语

空气动力学是力学的一个分支，但主要还是用于研究飞行器或其他物体在同空气或其他气体作相对运动情况下的受力特性，如今空气动力在民用产品设计方面也日益受到重视，在自行车研究设计中也越来越被产品设计师所注意，目前出现的高速自行车、避风式自行车、流线型自行车以及采用“滴水管”和异径辐条等，其目的均为了减轻空气的阻力。

通过对自行车外形、结构及配件的的优化设计，可以有效减少骑行阻力，提升骑行速度。空气阻力的研究，对于提高自行车行驶的轻便性、节约成本，缩短产品的开发周期都具有重要意义。

参考文献：

[1] 朱克勤.神奇的超流体[J].力学与实践.2010（01）：98-100.

[2] 程宪春，朱志伟，孙淑红.折叠自行车设计研究[J].包装工程.2007

（08）：161-163.