一辆比赛用的自行车，除了车架和变速系统，投入最大的就是那一对轮组了，谁都希望多快好省地搞定一对比赛轮组，并且能借这对轮组提高哪怕是一丢丢的成绩。因此开元老师在给车友和铁友们做Bike Fitting时经常会被问道轮组的选择。
很多朋友其实也做了大量的功课，无奈信息量太大，且很多时候前后不一，难免有夸大其词的成分。加上明星效应，还有五花八门的广告宣传，选择起来更是令人眼花缭乱。最常见的问题有：“大刀我能踩得动吗？”“Froome用的三叉轮到底好不好？”“碟轮值得买吗？”。是不是很熟悉？如果你也有以上疑惑，那今天的文章就是为你准备的！
▲ 著名的A2风洞
本文我们将聚焦自行车的轮组，为大家带来发表于第48届宇航科学大会（48th AIAA AerospaceScience Meeting）上的一篇文章《A Comparative Aerodynamic Studyof Commercial Bicycle Wheels using CFD》（作者Godo, Corson& Legensky），标题译为“使用CFD对商业成品自行车轮组的空气动力学比较性研究”。
由于原文研究非常深入、数据详尽、篇幅很长，为避免各位读者产生阅读疲劳，故将分篇为大家呈现。
本研究采用CFD（Computational Fluid Dynamics，计算机流体力学）模拟，研究多对商业成品轮组在不同速度和偏航角（yaw angle）下的气动表现。
▼ 受测轮组CFD模拟画面
被研究的轮组包括：Rolf Sestriere（铝合金低框轮组）、HED H3 TriSopke（三叉轮）、Zipp 404和808（Zipp产品线上的常青树）、Zipp1080（已经停产的框高108mm的超级气动轮）、ZippSub-9（针对铁三市场推出的碟轮，意为大铁完赛9小时以内）。
▲ RolfSestriere铝合金低框轮组，大部分车友铁友眼中的“训练轮”
▲ 历史悠久但仍受明星车手偏爱的HED H3三叉轮
▲ Zipp于2008年推出的框高为108mm的气动轮1080，现已停产
▲ ZippSub-9碟轮，轮廓很“性感”
研究者对上述轮组使用“雷诺平均纳维－斯托克斯方程（RANS）”（Wiki释义：https://zh.wikipedia.org/wiki/雷诺平均纳维－斯托克斯方程）进行建模，轮子均与地面接触，速度分别为20英里每小时和30英里每小时（约为32公里每小时和48公里每小时）。
经过CFD模拟，可以得到每种轮子的阻力、垂直和侧向受力，从后者的分力中还可能计算出转动力矩，以此来了解轮子的稳定性和操控性。
为了在建模中体现轮子和地面接触时轮胎的变形和接触面积，研究者让一名77公斤的车手以TT姿势骑乘于一辆TT车上，并实际测量了轮胎的形变和与地面接触的面积。
▲ 研究所选轮组的框高和截面积形状。上方从左到右：Zipp 404, 808, 1080；下方从左到右：Rolf，HED H3, Zipp Sub-9
建模过程中的模型网格化及CFD模拟的边界条件设置本文就略过不表，对实验技术细节感兴趣的朋友可以自行查阅原文。我们也欢迎对CFD有研究和实操的朋友对技术细节进行补充。
▲ 车轮结构的网格化建模
▲ 对车轮周边环境的网格化
▲ CFD模拟的边界条件设置
研究对每个车轮在20英里每小时和30英里每小时两种速度下，分别设置10种偏航角进行模拟（0°、2°、5°、8°、10°、12°、14°、16°、18°和20°），如下图所示：
▲ 转动车轮的受力示意图
下面是大家最感兴趣的结论部分。如下图所示，在0°偏航角下，Zipp 404的CFD模拟数据（黑色和白色圆点）和Zipp自己公布的风洞测试数据（+号）均在之前发表过的数据范围内（红色竖条），意味着数据具有一致性。
另外，本研究中的CFD模拟数据与Zipp自己公布的风洞数据相比，其在不同偏航角下的表现非常相似，它们都在10°偏航角上产生了最低的阻力。Zipp 808的气动特点和404也很类似，最低的空气阻力同样出现在10°偏航角。
▲ Zipp404和808的数据比较。黑色圆点和白色圆点分别为本研究中时速20英里每小时和30英里每小时，+号为Zipp自己公布的风洞测试数据，左侧红色竖条为过往不同渠道发布过的研究数据。
本研究中Zipp1080的最低空气阻力出现在10°偏航角，而Zipp公布的风洞数据显示最低阻力出现在15°，两者略有差异，但总体趋势比较接近。对于Zipp Sub-9而言，本研究的数据在0°偏航角时也落于以往发表的数据范围内，模拟数据在8°时出现了一个阻力低点。
但是CFD模拟的结果并没有呈现出Zipp提供的风洞测试所表现出来的“负阻力”（小编注：根据Zipp的数据，在12-13°偏航角时，吹在Sub-9上的风会产生推力，给车手提供额外动力，好像帆船那样。然而CFD模拟未能证实这一点）。在较高的偏航角时，模拟数据和Zipp的风洞数据都呈现出振荡式下降的趋势。
▲ Zipp1080和Sub-9的数据比较。黑色圆点和白色圆点分别为本研究中时速20英里每小时和30英里每小时，+号为Zipp自己公布的风洞测试数据，左侧红色竖条为过往不同渠道发布过的研究数据。
作者未能找到RolfSestriere的风洞实测数据，但是参考了Greenwell et al.和Tew et al.早先公布的针对Campy Shamal的风洞测试数据。它们都是铝合金低框轮组，在气动特点上也表现得较为相似。HED H3三叉轮比较有意思，其最大空气阻力出现在5-10°偏航角时，这与其它气动轮组刚好相反，另外可以看到三叉轮的空气阻力总体上来说受偏航角的影响不大。
▲ Rolf和HED H3的数据比较。黑色圆点和白色圆点分别为本研究中时速20英里每小时和30英里每小时，左侧红色竖条为过往不同渠道发布过的研究数据。左侧Rolf的数据中，+号和X号分别为Greenwell和Tew发表的Campy Shamal风洞数据；右侧HED H3的数据中，+号为Zipp公布的风洞测试数据，X号为Greenwell发表的风洞数据。特别需要注意的是，右侧HED H3的红色竖条数据包含着其他品牌的三叉轮测试结果。
作者注意到本研究中CFD模拟的风阻结果均比Zipp提供的风洞数据要低（除了Sub-9的风洞数据在12.5°偏航角出现负阻力的情况以外），这可能是由于本CFD模拟设置的边界条件与Zipp风洞测试的情况不同造成的。
另外一个重要区别是，风洞测试中，地面是静止的，而CFD模拟中，车轮是在地面上滚动的（小编注：即除了车轮本身的旋转外，车轮和地面有相对位移发生）。但除了风阻绝对值上的差别外，总体而言CFD模拟的结果在趋势上和风洞测试数据非常接近。
未完待续
开元观点
这是目前为止我见过的最为全面和严谨的轮组气动性比较研究。尽管文章发表于2010年，所研究的Zipp轮组均为上一代产品，但通过同一代产品的横向比较，我们仍能获取不少有价值的信息作为参考。
从目前的结果来看：
高框气动轮的气动特性都比较类似，在10°偏航角附近出现风阻最小值，区别只是最小值的绝对值大小；
而碟轮尽管无法确定其是否真的具有“帆”一般的作用，在某些风向下推着你往前走，其出色的气动性能已经在本研究中清楚地体现；
比较诡异的是HED H3三叉轮，虽然尚不清楚为何像Wiggins和Froome这样的明星车手如此钟情于三叉轮，但“三叉轮和808哪个快”这个问题我想已经得到了解答。
下期我们将为大家继续更新本研究的其它结果。
文：Godo, Corson& Legensky 编译：王开元 编辑：HCY
转载自微信公众号Locomo耐力运动研究院《大刀、三叉还是大饼？（上）| 学术派》
