基于凹坑型非光滑表面结构的公路自行车轮组减阻应用分析

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720016

摘要：空气阻力是公路自行车行进阻力的重要组成部分之一，围绕如何有效减低空气阻力已经展开了广泛的研究并取得了大量应用成果。本文基于非光滑车表自行车的空气阻力特征，分析凹坑型非光滑表面结构的减阻原理，探究凹坑型非光滑表面设计轮组在公路自行车行进过程中发挥的减阻效用。研究结果表明凹坑型非光滑表面通过凹坑产生紊流来延缓边界层分离的设计可以有效的平衡气压缓解压差阻力、降低空气阻力。研究论证了基于凹坑型非光滑表面结构的公路自行车轮组在降低空气阻力方面的可行性，为公路自行车的减阻研究提供新的思路。

关键词：凹坑型非光滑表面；公路自行车轮组；空气阻力；减阻效应

目前，公路自行车运动成为现代体育运动中最有影响力的项目之一，在世界范围内引起了广泛关注，为了追求更快的速度、更好的成绩，围绕公路自行车运动受力作用分析与如何降低公路自行车运动中的阻力展开了广泛的研究。随着设计的不断优化、新材料的普及应用，公路自行车的研究逐步进入瓶颈。近年来基于凹坑型非光滑表面结构的减阻研究发展十分迅速，然而目前此类研究大多都是集中在汽车动力学、仿生学等领域。因此，本文通过分析基于凹坑型非光滑表面结构的减阻原理，将凹坑型非光滑表面结构设计运用到公路自行车轮组中，分析其减阻效果，以期为公路自行车的制造与研发提供新的思路和见解。

一、公路自行车运动中的阻力分析

（一）公路自行车运动中受到的阻力

公路自行车在行进中受到的阻力主要有四个来源：内部摩擦力、空气阻力、地面摩擦力及重力等。在公路自行车运动过程中，由于风速与路面环境等外部因素的不确定性，各种阻力在相互作用的情况下将会表现出更为复杂的受力作用过程（见图1）。

内部摩擦力主要来自花鼓及中轴转动时及链条传动时产生的摩擦力，当保证链条顺滑的情况下，内部摩擦力往往很小，且随车速的增加增福有限。重力对公路自行车的阻力主要体现在上坡运动中，其产生的阻力基本保持不变。地面摩擦力主要取决于摩擦系数与重力的影响，当保持在相同路面运动时，地面摩擦力可视为固定值。根据空气阻力公式：F=（1/2）CρSV2（C为空气阻力系数；ρ为空气密度；S物体迎风面积；V为物体与空气的相对运动速度）可知，空气阻力与速度的平方成正比，速度越快，空气阻力呈非线性增加。因此，当公路自行车在在运动过程中随着速度的增加，空气阻力逐渐成为所有阻力中最重要的影响因素（见图2）。

（二）公路自行车降低空气阻力的现状

在公路自行车赛事中，平坦路面的平均速度往往能达到4555km/h，在该情况下下，内部摩擦力、重力及地面摩擦力之和只占所有阻力中很小的一部分，而用来克服风阻阻力所需的功率却可达到车手输出总功率的7080%，因此，基于空气动力学的减阻设计成为了研究热点。经过不断的理论研究与摸索实践，前人已研究出许多蕴含空气动力学的设计，诸如连身车衣、风动头盔、气动车架、气动刹车等。此类设计均是针对公路自行车装备中较大部件的提升，随着技术的成熟与新材料的应用，研究也趋于完善，因此，当下研究的研究热点便指向了更为微观的细节调整和优化。

（三）公路自行车降低空气阻力的思考

近年来，仿生学、流体力学（空气动力学）等学科均通过研究发现，凹坑型非光滑结构可以改变物体运动时的流场性质，并已经成功应用到各种领域，例如凹坑型高尔夫球比光滑表面的高尔夫球飞行距离更远，汽车采用凹坑型表面可以提供更好的减阻效率等。以上成功的案例及研究，为公路自行车提高减阻效率提供了新的思路。因此，本文旨在通过分析基于凹坑型非光滑表面结构在空气阻力中的减阻原理，寻求该结构在公路自行车应用中的理论可行性。

二、凹坑型非光滑表面结构的减阻效应分析

凹坑型非光滑表面结构应用最典型的代表是高尔夫球。有研究表明，凹坑型表面高尔夫球的飞行距离可以达到光滑表面高尔夫球的一倍，而其中的原理主要涉及到流体力学（空气动力学）。

（一）高尔夫球受到的空气阻力分析

对于在流体中运动的物体来说，流体对物体产生的阻力主要有三种：分别是粘性阻力、压差阻力和干扰阻力。粘性阻力是指气流向物体运动相反的方向流动时所产生的一种阻力，压差阻力是由于空气粒子在迎风面受到挤压密集、背风面分散形成了物体前后不同的压强差所导致的，干扰阻力是指物体不同部分之间在运动中产生的阻力相互干扰而产生的一种额外阻力。其中，粘性阻力和压差阻力是影响物体运动的重要因素。

（二）高尔夫球周边气流状态分析

在物体运动过程中，当其流速很小时，流体分层流动，互不混合，此种流况称为层流。伴随着流速的增加，流体的流线开始出现波状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到一定程度时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡就称为紊流（见图3）。层流状态下，空气粒子运动分层流动，各层之间粘滞力大，此时物体运动主要受粘性阻力和压差阻力的影响。紊流状态下，空气粒子运动无序，有随机性，此时物体运动除受粘性阻力和壓差阻力的影响外，还受到空气紊动产生的附加干扰力。

在流体力学中，依据物体外部形态的不同，可以分为流线体和钝体（非流线体），其在运动中各自产生的粘性阻力和压差阻力的占比也不同。对流线体来说，其受到粘性阻力大于压差阻力的影响，而钝体则相反，主要受到压差阻力的影响。由于高尔夫球为钝体，因此在其运动过程中，主要受到的空气阻力为压差阻力。

高尔夫球在运动时空气流过的形式为层流，因此，高尔夫球主要受粘性阻力和压差阻力的影响，且压差阻力为主要阻力。基于这样的情况，如何有效消除粘性阻力和压差阻力，特别是压差阻力的影响，成为了影响高尔夫球运动距离的关键，凹坑型非光滑表面的设计便应运而生。

（三）高尔夫球的减阻原理分析

压差阻力的形成与“边界层分离”有关。在光滑球体的飞行过程中，扰流分离大概发生在球体的两个极点上，即球体的“分离点”。高尔夫球在运动过程中，其迎风面形成了高气压区，背风面形成了低气压区，因此不均衡的气压水平便形成了阻碍物体前进的气压差。高尔夫球表面的坑洞设计可以有效抑制边界层的分离的紊流产生，当空气流过高尔夫球“极点”时，在紊流的作用下气流需要继续向后到达背风面时发生边界层的分离（见图4）。此时球体背风面的低压区域范围相应减小，则相当于背风面的压力相应增大，压差阻力相应减小，粘性阻力对于球体的影响也相应减小，因此，高尔夫球总体所受阻力得以减小，其飞行距离更远，即高尔夫球的凹坑型非光滑表面结构在其运动过程中起到了减阻效用。

通过研究测试，记录了平滑球体和高尔夫球在不同速度下所受风阻的区别（见图5）。测试结果表明随着高尔夫球速度的不断提高，凹坑型表面的高尔夫球相较于平滑表面的高尔夫球受到的空气中阻明显更小，且其增幅速度更为缓慢。

三、基于凹坑型非光滑表面轮组的公路自行车减阻应用分析

（一）公路自行车轮组周边气流状态分析

在进一步研究如何减小公路自行车轮组的空气阻力前，我们首先需要界定轮组在运动中其周边气流的运动状态，为此引入雷诺系数进行判断。雷诺系数是是流体力学中表征粘性影响的相似准数，是度量流体惯性力与粘性力比值的无量纲量，记做Re，其公式为：

Re=ρvd/μ

其中，v表示流体的流速，ρ为流体的密度，μ为黏性系数，d为特征长度。对于空气来说，密度和粘性系数近似固定值，那么影响雷诺系数的主要因素是速度和特征长度。当雷诺系数较小时，流体便趋向于层流流动状态，反之当雷诺系数较大时，流体趋向于紊流流动状态。

在公路自行车的运动过程中，轮组特征长度相当于轮组的框面高度约4060mm、速度约4555km/h，而高尔夫球运动过程中特征长度约42mm、球速约250km/h，根据雷诺系数公式，空气流过轮组时的雷诺系数显著小于高尔夫球运动中的雷诺系数，因此，空气流过轮组的状态近似于稳定的层流。在层流的流体状态下，轮组主要受到空气阻力为粘性阻力与压差阻力，同时鉴于轮圈截面为钝体的特征，其所受的压差阻力大于粘性阻力。

（二）凹坑型非光滑表面结构在轮组中的应用分析

公路自行车轮组运动过程中气流的特性与高尔夫球具有极高的相似性，因此凹坑型表面结构在轮组中也存在较相似的应用原理。传统的公路自行车轮组其表面为光滑的，而采用凹坑型非光滑表面结构的公路自行轮组表面有许多“凹坑”（见图6）。在轮组运动过程中，这些“凹坑”有助于延缓边界分离层的分离，减小背风面的低气压区范围，从而有效减少压差阻力带来的影响。通过流体动力学的软件进行模拟分析（见图7），可以清晰发现凹坑型非光滑表面轮组较光滑表面轮组在相同速度条件下所受风阻更小，其背风区形成的低气压区范围也更小，这一结果与理论分析依据相同。因此，采用凹坑型非光滑表面结构的公路自行轮组在相同的外部条件下，具有更好的克服空气阻力的效应。

四、结论

随着当代科技的不断进步，公路自行车在结构优化、材料应用方面已经取得了巨大的进步，其减阻的方式也日趋成熟和完善。空气阻力作为影响公路自行车运动的重要因素，如何有效降低空气阻力意义重大。本文以高尔夫球这一典型代表为例，通過具体分析凹坑型非光滑表面结构在降低空气阻力中的原理，凹坑型非光滑表面通过凹坑产生紊流来延缓边界层分离的设计可以有效的平衡气压缓解压差阻力、降低空气阻力。论证了该结构在公路自行车轮组上的理论可行性，并通过模拟实验进行了论证，希望可以以此为公路自行车的减阻研究提供新的思路，贡献微薄的力量。

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作者简介：顾及诚（1999），汉族，江苏南京人，学生。