文/LOCOMO耐力运动研究院
▲ 小编：很多读者反映阅读LOCOMO学术派文章，看完前言直接跳过过程看结果（同感，有木有！！！），可开元老师坚持要为大家朔本清源，呈现有科学循证的内容。（谁让他坚持要让大家知道为什么更重要呢！）从本期开始小编特意邀请开元老师来为大家原声解读推出该文章的来龙去脉。
看了标题各位千万别以为误入了美食频道，小编啃鸡腿是直接用手抓的，没有用刀叉。对自行车装备感兴趣的朋友估计已经猜到标题中的“黑话”各指的是什么？！
没错，我们在说轮组。
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，那今天的学术派就是为你准备的！
▲ 著名的A2风洞
本期学术派我们聚焦自行车的轮组，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。
下期学术派我们将为大家继续更新本研究的其它结果。
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