漩涡制造者

今年环法第一站比赛,天空车队的表现可圈可点:除开G.T. 拔得头筹,车队9人中的4人位列单站前十。

值得注意的是天空车队TT骑行服。它在手臂上布置了许多突起一样的小坑。不要小看这些小坑,空气流过这些小坑的情况和流过正常的情况,流体的性质可能有很大的不同。

目光聚焦在手臂,可以这样抽象这个物理现象:空气流过一个圆柱体。在流体力学问题中,有一个很重要的物理参数:拖拽系数(Cd)。对于抽象出来的这个物理模型,也就是圆柱绕流问题,这个系数被发现和雷诺数有很大的关系。而在这个更具体的问题中,这个系数和速度有很大关系。 这个系数在当雷诺数大于100之后一直到 十万这么一个大区间,基本保持不变,在1.0左右。
估计一下,在第一站比赛中G.T.手臂附近的流体雷诺数大小:
人的手臂估算一下直径有大概 5 cm,如果以50 km/h (14 m/s)的速度计算,那么估算的流体的雷诺数大概在 Re = 14 * 0.05/(1.5e-5) = 46666。
再回来说这个系数,Cd。 这系数在雷诺数接近 3~5 E5 的时候,会经历一个非常有名的流体力学现象: drag crisis,也就是阻力骤降。这个系数很快从1.0 降低到0.3附近。而导致这个阻力骤降的原因是在个雷诺数下,和空气和圆柱体接触的区域(边界层),发生了巨大的变化。简单来说,就是从层流形式的边界层转变成了湍流边界层。而后者的“粘性”要高于前者,从而导致空气更倾向于覆着在圆柱体而不是离开。换句话说,在层流边界层情况下,空气会很快离开圆柱体表面。而后者则推迟了这一离开。下面我用自己的模拟两张图来直观说明这一现象。


上图中蓝色部分区域是尾流区域。这个区域越小代表空气传递到圆柱的能量越小。 这个区域越大,则对应圆柱的Cd就越大。

天空车队采用的这个技术,其本质就是想改变分离层空气的流体性质,使层流的分离层转变成湍流分离层,让分离点向下游方向移动,从而达到减低阻力系数的目的。极端一点说,使用天空车队的极品套装于普通装备的区别,在于在相同的速度下,阻力系数的差别。

最终作用在车手的阻力大小 F = 0.5x空气密度 x (速度)^2 x (阻力系数) x 迎风面积。 在迎风面积相差不多的情况下,顶尖车手的差异很大程度上取决于谁的阻力系数更小。当然了,天空的这个“漩涡制造者”肯定经过了大量的风洞实验才得以亮相的。突起的设计,比赛日那天的相对风速,与车手个体差异的匹配,这里面的能探索的地方有很多很多。

天空的实力毋庸置疑,但是第一站压倒性的胜利,难免让人产生一些疑问。减秒是肯定的,但是这家伙在14 km 的TT赛上,到底能减多少,则是一个很值得研究的问题。

@2017-07-07 00:06
Comments
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  • Randombazinga reply

    Helmholtz Resonance !

  • 好久没关注环法了

    • Randombazinga reply

      @安心财务 看完前几站,发现自己特别想写一篇 “为什么我不再看环法了"。

  • 这逼格有点高,看不名阿比了。

    • Randombazinga reply

      @黑火药 以后会少些这样的文章,专业问题还是应该用专业的态度来写。