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    【空想科學實驗室】風阻篇

    投影面積與形狀阻力

    在單車時代 市售23款輪組 測試實驗公開(方法篇)

     

    輪組測試方法篇中提到了一些測試方法,其中風洞實驗測試可以量測出不同框體、輻條、銅頭、花鼓所帶來的風阻效果。針對這次實驗我們在來看到幾個地方來跟讀者們分享。

     

    研究人員提到,影響風阻的主要原因有幾個項目,1.投影面積對於風阻表現影響甚巨,2.再來就是框體與輪胎的流線形狀。

     

    先談到投影面積,簡單來講就是正面看過去投射面積越小,相對風阻就越小;投射面積越大,相對風阻就會越高,這點在評測之前的說明已跟所有品牌說明過了,輪胎使用的是25mm寬的輪胎為主,廠商可自行選擇要使用哪一款輪組進行測試。

     

    輪胎與框體的流線形狀要符合低風阻設計才好,如何才是低風阻外型,下圖稍微來做一點說明。

     

     

    圖A,是完全的圓形,風阻會是最高的。

    圖B,後圓部分稍有增長了一點,比較偏向低框輪組的切面形狀,風阻會稍微降低。

    圖C,是橢圓形狀,對於0度角度風阻會更低一些。

    圖D,前緣以及後緣增長的比例來看,0度角度會是具有最低風阻的形狀。

     

    還是要特別說明,空氣阻力影響到的層面非常的廣且深入,以上只是用最簡單的方式說明形狀阻力影響的部分,測試輪組中當截面形狀越接近圖D時,0度角度會是風阻最低的,但測試中增加角度最大到正負20度來評測,所以又會關係到後緣收尾的形狀。

     


    形狀阻力研究實驗 ©NASA


     

    在NASA的流體力學驗就報告中,發佈了所有流體形狀的相關數值,上圖中NACA0012形狀所呈現的阻力值最低(0度);而NACA2414、NACA2415這種不對稱形狀的設計會在飛機機翼中看見,因為飛機需要昇力。除此之外賽車所使用的形狀設計也有所不同,就例如是賽車所需要的增加下壓力形狀設計。

     

    再來提到為什麼輪組的風洞實驗要在風洞通道的前端測試?簡單來說,就是流體經過速度為0的物體時(通道壁面),物體表面就會與流體產生摩擦,形成一層一層連續且不規則的型態,稱為層流;接著經過一連串的流體力學解釋之後,簡而言之就會產生邊界層分離並且跟層流混在一起變成亂流,這個現象會將輪組的風阻測試產生很大的變數,所以輪組的實驗必須要在這股亂流發生之前測得而非之後。

     

    另一方面,在風洞實驗中要測試建築體的風阻相關數值,就必須要在風洞通道的最後端來進行,並且使用等比的建築模型來模擬,如果我們將整個大氣環境放大來看,建築環境當中存在的就是非常多不規則的流體,所以風洞實驗的位置也是很重要的實驗設計因素。

     

    剛剛提到了邊界層分離現象,流體經過風洞通道時與壁面接觸時就會產生,那與受測物體接觸時也同樣會產生囉?

     

    是的,讀者們還記得ZIPP 404的框體表面設計、高爾夫球表面以及空氣力學安全帽的後緣截短嗎?這些設計就是針對特定產品對於空氣力學的改變作法之一。

     


    ©ZIPP


     

    【空想科學實驗室】專題將繼續為讀者帶來改變邊界層分離位置的辦法。

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