自行车风洞设计与测试系统

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#风洞设计 #空气动力学 #PIV系统 #自行车运动

自行车运动专用开路式风洞的设计与施工

1. 引言

国际自行车联盟（UCI）的规则和规定限制了体育工程师在自行车及骑行器材整体形状设计上的发挥空间。由于自行车手输出的总功率中约有90%用于克服气动阻力，因此研究重点在于降低这种阻力 [1,2]。为了取得优势，必须对自行车手及其装备的空气动力学特性与姿态进行研究。

对骑行服、自行车的空气动力学（宏观和微观尺度）以及运动员在自行车上的姿态进行研究，是弗兰德斯自行车谷的研究目标之一。因此，这一由Ridley Race Productions、BioRacer、Lazer Sport、Voxdale和 Flanders’ Drive共同创立的企业集群合作项目投资建设了一个自行车风洞。除了开展风洞测试外，弗兰德斯自行车谷还致力于推动自行车行业的开放式创新。通过设立孵化中心，弗兰德斯自行车谷鼓励多家企业联合制定市场进入策略，以将新颖且富有创新性的产品推向市场。

本文将讨论弗兰德斯自行车谷风洞的详细设计，特别关注测试段及其测量设备。

2. 风洞的设计

风洞的设计始于确定顶层要求和测试段的尺寸[3]。测试段的尺寸和形状决定了风洞的整体尺寸和功率输入。

2.1. 要求

风洞可以根据其类型、专业性、尺寸、运行速度等进行分类，这些类别中给出了设计要求。根据2012 年进行的一项概念性风洞研究，开路式风洞对于给定的要求是最优的。开路式风洞具有入口和出口，并通过风洞使用大气空气。开路式风洞节省了建造成本和大量空间，因为不需要回流通道。这种类型的风洞通常放置在密闭建筑中，因此可以被视为具有效率较低回流通道的闭路式风洞[4]。

风洞测试段必须能够容纳多名自行车手排成一列，且测试段的水力直径至少为2.2m。此最小横截面尺寸可确保阻塞系数不超过10%，这是获得可靠结果的最大允许值[3]。该阻塞系数定义为测试对象的迎风面积与测试段横截面积之比。

风洞的最大速度在测试段达到，要求为30m/s。该速度远高于自行车手在正常条件下骑行的速度（计时赛模式下约为15m/s），但为了提高风洞的多功能性，提高了其上限速度。这种多功能性使得本用于自行车运动研究的风洞还可应用于多学科研究领域。此外，目标是实现层流，且湍流强度低于[3]建议的0.1%。

2.2. 风洞构型

风洞的设计是一个迭代过程，首先从测试段的尺寸设计开始。测试段设计为方形，宽度为2.5m。圆形试验段具有更好的流动特性，但直壁隧道中测试对象的施工和安装更为简便。对于处于计时赛姿势的普通自行车手而言，在测试段中的迎风面积为0.38m²，2.5m的宽度导致阻塞系数为6.1%。较大的阻塞系数会增加阻塞修正系数公式的不确定性。较小的阻塞系数更为理想；然而，若减小阻塞系数，则需要更大的测试段，从而导致风洞整体尺寸增大，这在空间限制条件下无法实现。

在测试段中容纳多名自行车手的要求使得试验段长度达到6.5m。在此试验段尺寸下，风洞能够依次容纳两名自行车手。在测试段的入口和出口处，分别需要1.25m和1.5m的空余空间，以稳定气流并闭合第二名自行车手后方的分离区 [3,4]。

风洞位于测试段之前的部位用于“捕获”、稳定和加速气流。气流进入风洞入口，并由喇叭形进气口收集。该椭圆形进气口的轴长比为1:3，可提高进气效率并防止vena contracta现象。该现象描述了在直管入口处气流过度收缩的现象，会导致气流中的能量损失增加，并可能引发流动分离 [5]。

进入风洞的气流存在湍流和速度变化，必须加以稳定，以便在测试段中形成层流。在入口之后设置有稳定段，其中安装流场调节器以产生稳定且均匀的气流。风洞中使用蜂窝结构和筛网来调节气流。通常优先采用两者的组合，因为蜂窝结构在减小气流中的涡旋和横向不规则性方面效果更佳，而筛网在降低轴向湍流方面更为有效 [6,7]。这些整流器会产生压降，从而导致附加阻力，因此被放置在稳定段内。该风洞段内的低速使这些不利影响降至最低。

在4m长的稳定段内，铝制蜂窝结构后方放置了多个筛网。筛网的数量取决于测试段需要达到的湍流水平。筛网会产生压降，有助于减少速度变化和湍流；筛网之后，静压恢复至恒定，且总压没有明显损失[6]。该压降取决于筛网的孔隙率以及丝径和网孔尺寸。可以使用多层筛网来降低湍流强度[6,8,9]。

丝径越小，筛网后的气流特性越好。然而，当考虑脆性时，丝径存在一个下限。筛网参数的选择参考了代尔夫特理工大学开式喷口装置等可比设施的参数。五个不锈钢筛网放置在蜂窝结构之后，间距为450mm，该间距应足以使测试段达到可接受的湍流水平。为了尽可能增加潜在筛网供应商的数量，由于编织宽度是一个限制因素，因此确定最大筛网宽度以及稳定段宽度为5.625m。

经过稳定段后，收缩段使气流加速。该部分的收敛形状使得入口横截面积大于出口，从而导致流速增加且功率需求降低。由于速度增加，气流的速度偏差得以按百分比减少。根据文献[3],[4]和[10]，小型低速风洞的最佳收缩比范围为6到9。然而，可用空间的限制以及结构限制（特别是考虑整流器时）决定了较大风洞的收缩比。收敛管道的形状可能在壁面产生逆向速度梯度，从而引起边界层分离的危险[6]。收缩段的边界层在入口处受凹形影响而出现不稳定效应，而在靠近出口处则因凸形结构而趋于稳定[10]。为了防止分离，收缩段的形状应逐渐变化，这可通过较长的收缩段实现，但会导致风洞内边界层过度增长。因此，经验法则是喷嘴长度应约为入口直径的1.25倍[8]。已有大量研究致力于寻找最优的收缩段形状。早期大多数关于收缩段形状的研究依靠目视设计，随后对收缩段内的压力分布和梯度的研究揭示了更优的流动行为和设计方法。近期在MTL风洞开展的研究通过优化收缩段壁面的压力梯度，得到了定义收缩段形状的多项式[11]。当入口宽度为5.625m、测试段宽度为2.5m时，收缩比为5.09，喷嘴长度取为7m。

风洞测试段之后的部分用于在气流进入风扇段之前使其减速并稳定气流。在此减速过程中，气流实现压力恢复，从而降低风洞所需的功率。为了减少所需功率[3,10]，该压力恢复过程必须在最小能量损失的情况下进行。为了使能量损失最小化，扩散角不能过大，否则将导致流动分离。

隧道的整体形状为方形，因为这可以降低施工难度。为了消除壁面流的干扰，方形截面的角落被填充。这些三角形填角的设计使其保持在边界层之上，从而最大限度地减少干扰。

风扇段包含四个轴流风扇（1600mm），以方形排列布置，用于克服风洞中的压力损失。风洞的每一部分都会产生压力损失，其中主要贡献来自稳定段、测试段和出口。稳定段内的压力损失是由整流器为稳定气流所造成的压降引起的。在测试段中，物体置于气流中，由于该段速度最高，因此压力损失也最大。出口处的压力损失是由于风洞内的气流被“排放”到静止空气中所致。该风洞总长度为35.5m，如图1a所示。

风洞采用钢‐聚苯乙烯结构建造。该技术使用一种独特的十字形钢型材和多个连接件。每个型材都设有等距连接孔，使得连接不同型材并构建结构的过程变得简单直接。该系统已用于房屋施工，并表现出高尺寸精度，可达 ±1mm量级。在型材之间粘接聚苯乙烯板（膨胀聚苯乙烯），使得型材与聚苯乙烯板共同形成封闭结构，构成风洞的壁面。聚苯乙烯板可被铣削成任意所需形状，并具有高精度；安装完成后，整个结构进行抹灰处理，形成整体且更重要的是密封的结构。

该系统将引入一种比其他建筑方案更简单、精度更高且成本更低的系统。系统的布置如图1b所示。

在完成整个风洞的设计后，专门设计了一个用于体育研究的测试段，尤其聚焦于自行车运动。用于此类研究的测量系统将在第3节中详细阐述。

示意图0

3. 测量设备

当测试段达到可接受的湍流水平后，即可开展研究。测试过程需要监控，并集成了多种测量系统以采集数据。首先是用于测量骑行中的自行车运动员的重量和阻力的天平。此外还引入了自行车适配系统，并配备了粒子图像测速系统（PIV）。这些测量系统将在本节中进行讨论。

3.1. 天平

测试段中包含的天平能够测定作用在测试模型上的力，由连接五个负荷传感器的框架构成。这些负荷传感器测量拉力和压力，据此可推导出气动阻力。该框架顶部设有轴承，使天平能够转动，从而可测试不同的攻角条件。整个框架如图2所示。

测试对象放置在风洞内的一个平台上，该平台升高150mm，以引入新的、新鲜的边界层，从而降低边界层干扰的程度。地板具有椭圆形前缘，并在底部保持开放，以尽可能减少对气流的干扰。自行车被固定在平台上方的前后轮轴上，并置于经过校准的骑行训练台上，以匹配测试期间达到的速度所对应的阻力。

该天平设计为模块化结构。整个平台（图2）可以从测试段中降下，之后可在测试段中安装不同的测试装置。这增加了风洞的多功能性。

示意图1

3.2. 自行车适配

风洞中包含的第二个测量系统是自行车适配装置。该测试的结果可用于调整自行车和装备，以适应运动员，从而减少损伤并提高自行车运动员表现。

自行车适配是一种非常常见的自行车运动分析，通常以静态方式进行，不包含向前运动或空气阻力。为了提高这些自行车适配测试的准确性，本文提出了一种更接近实际情况的测试方式，即让骑行中的自行车运动员承受风阻。该系统在测试段两侧使用两个相机支架，追踪自行车手关键关节上的红外光源。采用两个相机支架的优势在于能够观察运动员在自行车上的不对称性，而这种不对称性通常是造成损伤的常见原因。在自行车手运动过程中，系统每秒采集200张图像，从而可以详细研究自行车骑行动作，如图3所示。

在图3所示的示例中可以看出，自行车手的膝盖在整个测试过程中以相似的方式运动，这表明其身体姿态良好。第二个（圆形）运动包含连接在踏板上方脚部的灯的旋转。该运动作为参考，用于定义测试的准确性。

示意图2

3.3. 粒子图像测速仪 (PIV)

风洞中包含的最后一种测量系统是PIV系统。该系统可用于识别流动行为。油颗粒将被喷入气流中，随后激光照亮这些颗粒。一台相机放置在与激光束垂直的位置，在很短的时间间隔内拍摄两幅图像。将插入油颗粒到气流中的烟雾发生器置于入口前方，以使测试段内达到所需的颗粒密度。油颗粒的运动（即气流）可以被检测到，并且已知时间间隔后，可计算出流速。测试结束后，烟雾将被排出建筑物外。

由于激光非常强大，运动员无法在此装置下进行测试。为解决此问题，可对自行车手进行3D扫描，然后铣削制作全尺寸假人，并在风洞中进行测试。这对于头盔和骑行服的测试尤其是一种强大的工具，如图4所示。

利用该PIV系统，还可以研究微小的几何变化对骑行装备和骑行器材空气动力学的影响。此类研究的一个示例是在自行车的座管上增加凹槽，以减小座管后方的尾流。添加凹槽可延缓流动分离的发生，从而形成更小的尾流。较小的尾流尤其有利于冲刺型选手，因为它能减小对后续竞争性骑行者的吸力效应。尾流尺寸的减小可在图5中看到。

这些结果是在德累斯顿的风洞中（图4）产生的，测试的主要目的是首先收集有关自行车装备和磨损的数据，其次评估PIV系统。用于这些测试的系统将被安装到弗兰德斯自行车谷的风洞中。由于相机和激光不能被放置在测试段内，否则会干扰气流，因此在将玻璃插入测试段时必须格外小心。激光光无法允许反射或折射，因为这会在测试结果中引入误差。粒子图像测速仪测试要求玻璃在高达45°的角度下透射率至少为95%。

示意图3
示意图4 座管在50km/hr时；(b) 带凹槽的座管在50公里/小时)