哪个骑自行车的人下山姿势更好？

事实上，不同的职业自行车手使用非常不同的下坡位置，这表明在佩洛顿，对于哪个位置真正优越并没有达成共识，而且大多数骑自行车的人没有测试不同的位置，例如在风洞中，找出哪个位置会给他们带来最大的优势。通过风洞试验和CFD模拟两种不同的独立应用的研究方法得出相同的结论，我们证明了在过去职业车手使用的6个位置样本中，哪个下坡位置在空气动力学上更优越。我们还从安全和发电的角度讨论了哪些岗位更优越。结果显示，2016年环法自行车赛第8赛段Peyresource de下降过程中臭名昭著的“弗洛姆”位置在空气动力学上并不优于其他几个位置。事实上，最初的犹豫不决和大多数领先追逐者采用的空气动力更小的下降位置导致弗罗姆赢得了环法自行车赛的第8阶段。与其他位置相比，弗罗姆位置不是更快，不是更安全，也不是更强大。其他位置最多快8%，在两个轮子上提供更均匀的体重分配，并允许更多的发电。

该项目由荷兰埃因霍温理工大学的伯特·布洛肯和比利时鲁汶大学的KU鲁汶领导，与埃因霍温理工大学的Thijs van Druenen和牙生·托帕拉尔、比利时列日大学的托马斯·安德里安(Thomas Andrianne)和国际分析系统公司(Thierry Marchal)共同演出。

一项对自行车不同下坡位置的空气动力学性能的独立和无资金支持的调查。此外，还对与每个岗位相关的发电和安全问题进行了评论。解释了一些误解。

由三所不同大学的研究人员和计算流体动力学(CFD)软件的世界领先者应用两种不同而独立的方法。利用ANSYS FLUENT CFD程序进行了CFD模拟，并在列日大学风洞实验室进行了风洞试验。

这项工作是在环法自行车赛(2016)第8赛段结束时激发出来的，其中最引人注目的项目可能是克里斯·弗罗姆(Chris Froome)沿着佩拉索德河向终点线降落的方式，领先内罗·昆塔纳(Nairo Quintana)、亚当·叶茨(Adam Yates)、鲍克·莫莱马(Bauke Mollema)和他的其他竞争对手13“英寸，就在佩索尔德河顶端之前，他打破了这一局面，并赢得了舞台。下图显示了克里斯·弗罗姆(Chris Froome)在下降过程中，坐在顶管上，胸部放在车把上。在下潜过程中，他轮流踩着脚踏板，双腿静止不动。下降全程15.5公里，从海拔1569米下降到632米，弗罗姆的平均时速达到62.5公里，最高时速达到90.9公里，有人将此归功于弗罗姆采用的所谓“优越的空气动力下降姿势”。在比赛结束后的5分钟内，我收到了三封电子邮件，分别来自牙生·托帕拉、蒂埃里·马歇尔和托马斯·安德里安，他们建议我们调查一下这个位置，看看这个位置是否真的在空气动力学上更优越。

图1.2016年环法自行车赛第8阶段，Peyourde号下降过程中的弗洛姆。(spoza.be)。

不同的自行车手使用非常不同的下坡姿势。下面的图2显示(A)Chris Froome；(B)已故的Marco Pantani；(C)文森佐·尼巴利(Vincenzo Nibali)在一个也被许多其他人采用的位置；(D)Nibali在他特殊的下降位置；(E)Fabian Cancerara在一个技术困难的下降位置，有许多急转弯；(F)Peter Sagan在我们将被称为“顶管安全”的位置。之所以选择后一个名称，是因为与Froome位置相反，在此位置中，体重在两个轮子上的分布更加均匀。这些不同的下降姿势仍然被职业自行车手在几场比赛中使用，这清楚地表明，在佩洛顿人中，对于哪个位置真正优越并没有达成共识，而且可能大多数自行车手没有通过风洞调查或CFD模拟来详细测试几个位置，以找出哪个位置会给他们带来最大的优势。

图2.职业车手的不同下坡位置：(A)克里斯·弗洛姆(Chris Froome)；(B)已故的马尔科·潘塔尼(Marco Pantani)；(C)文森佐·尼巴利(Vincenzo Nibali)；(D)文森佐·尼巴利；(E)费边·坎塞拉拉(Fabian Cancerara)；(F)彼得·萨根(Peter Sagan)。(图片来自spoza.be)

第一种方法是风洞试验。我们在四个不同的位置扫描了一个骑自行车的人，用CSC按1：4的比例切割制作了模型，团队在列日的风洞中对这些模型进行了测试。试验以216 km/h的速度进行，雷诺与实际情况的雷诺相似程度为54 km/h(=15m/s)。216公里/小时是四级飓风，所以模型需要用轮子上的竖条进行加固。进行了修正，以消除它们对空气动力阻力的贡献。

我们早先的研究表明，在15m/s及以上时，获得了足够程度的雷诺数独立性，在20m/s和25m/s时得到了相同的阻力面积，阻力面积的结果如下面的图4所示。阻力面积是正面面积A和阻力系数Cd的乘积，两者都出现在阻力公式中：

第二种方法是用计算流体力学(CFD)进行计算机模拟。同样的四个位置和两个额外的位置用ANSYS fluent CFD软件进行了分析，模型使用了3,600万个计算单元的极高分辨率模型，计算单元的尺寸小到骑车人身体附近的20微米(=0.020毫米)，这是准确和可靠的结果所必需的，因为需要解决靠近骑车人和自行车表面的非常薄的层流亚层。这些细胞是如此之小，以至于在现实中是不可能看到的。然而，经过6个多月的测试，我们发现，这种分辨率以及离身体更远的网格类型对结果的准确性有非常大的影响。在此经验的基础上，我们开发了最终的网格。

图5.垂直中心平面中位置的计算网格。细胞总数是3600万个。

图6.位置为#34；FROME#34；的计算网格的一部分。细胞总数是3600万个。

图7.从位置缩放计算网格。细胞总数是3600万个。

我们将这些网格与过渡SST-k-omega模式的应用相结合，该模式的边界层过渡能力只有通过本文制作的极高分辨率网格才能得到充分利用。我们对20个车手模型进行了测试，但这里只报告了其中6个模型的结果。

风洞和CFD在最低气动阻力方面给出了完全相同的最佳位置顺序：“潘塔尼”第一，“后退”第二，“弗罗姆”第三，“后水平”第四。

风洞和CFD的一致性非常好(在前三个位置的误差范围内)，这要归功于仔细生成非常高分辨率的网格和谨慎地应用过渡SST-k-omega模型。

图8.通过风洞测试和CFD模拟获得的四个自行车手模型的阻力面积(ACD)。

由于两种独立方法的比较表明，两种方法给出的位置顺序相同，而且这两种方法都是可靠的，所以研究扩展到另外两种下降位置。最终结果如下图所示。请注意，如上所述，大多数百分比都大于风洞结果和CFD结果之间的偏差。这些百分比基于以下假设：

图9.速度方面的6个位置的比较，或者没有踏板，或者当所有骑自行车的人都以相同的功率骑踏板的时候。

人们可能会想，为什么这些结果彼此如此不同，与人们可能直观地预期的结果有如此大的不同。气动阻力或阻力由上述方程确定，其中包括四个因素：骑自行车的速度、骑车人的正面面积、骑车人的阻力系数和空气密度，其中包括四个因素：骑自行车的速度、骑车人的正面面积、骑车人的阻力系数和空气密度。假设相同的循环速度和空气密度，锋面面积A和阻力系数CD保持不变。A和Cd值越大，拖曳力越大。结果不同的主要原因是阻力系数不同。阻力系数是骑车人身体压力分布的结果。所有被测位置的压力分布都非常复杂，差别很大。这里分隔点的位置非常重要。它不是靠直觉就能得到的，而应该用计算机模拟来研究。这种不同导致了不同的阻力。通过计算机模拟得出的自行车和自行车上的压力系数如下图所示。

图10.比较4个位置的速度(无踏板或相同发电量)，并显示骑车人和自行车表面的压力系数。

我们不能重新创建准确的Peyresource de下降，因为我们没有弗罗姆和追逐者之间每秒的骑行速度和时差。我们在大部分下降过程中也没有领头追逐者下降的位置(当焦点转移到弗罗姆时没有播出)。然而，作为一个粗略的例子，我们根据克里斯·弗洛姆(Chris Froome)在这次下降过程中的平均速度(62.5公里/小时)来计算Peyresource de下降(15.5公里)所能获得的时间差。在现实中，当然，在下降过程中骑自行车的速度变化很大，踏板很重要，但这些数字给出了一个粗略的指示，纯粹从空气动力学的角度来看，不同的位置可以获得多少时间：

考虑到追逐者采用的位置主要与后水平方向一致，这一时间差与克里斯·弗罗姆(Chris Froome)在部分下降过程中获得的优势相当一致。

克里斯·弗罗姆(Chris Froome)在2016年环法自行车赛第8赛段使用的位置在空气动力学上并不优越。其他几个位置的速度更快。克里斯·弗洛姆之所以赢得舞台，是因为他在山顶前加速，到达山顶时已经大幅领先。当你开始下降，而其他人仍在以较低的速度攀登时，你的领先优势只会增加，直到其他人开始下降。其次，像奈罗·昆塔纳这样的追逐者，即使在下山的时候，也会犹豫不决，以非常不受空气动力学影响的姿势“向上”骑了很长一段时间，见下面的照片。后来，他们采取了向后水平的姿势，有些人暂时只采取了后退的姿势。因此，是的，弗洛姆的位置比追逐者的位置更具空气动力学，但并不是空气动力学的全面优势。下降的“倒退”或“顶管保险箱”可能会让追逐者追上弗罗姆，阻止他获胜并拿走黄色球衣。

新的研究表明，如果不需要骑自行车的人踩踏板，“顶管保险箱”位置是所测试的6个位置中最好的位置。这也是两个顶管位置中最安全的位置，因为它允许在两个轮子上相当均匀地分配骑车人的重量。

当脚踏板很重要的时候，我们应该把重点放在允许骑自行车的人骑自行车的位置上，这些位置可以产生强大的动力。在“潘塔尼”位置和“顶管保险箱”位置踩踏板几乎是不可能的。但是，在“后退”位置和“后水平”位置可能会有更大功率输出的踏板，这使得这些位置比“弗罗姆”位置更适合下降，在“弗罗姆”位置，踏板是可能的，但不能有很大的功率输出。

除了这项调查支持的科学结果之外，还有一些职业或休闲自行车手可能会冒着获胜的机会，甚至可能危及他们的生命，他们采取了更危险的立场，希望通过不正当的方式来改善他们的空气动力学。阿尔贝托·康塔多在2017年通过采用弗罗姆的位置将巴黎-尼斯输给了赫瑙，这并不是不可能的。随着Giro、Tour和Vuelta三大巡回赛即将到来，许多人可能会忍不住采取这种“弗罗姆”的立场，冒着没有收益的风险。从速度、安全和动力的角度来看，我们强烈反对这样做。我们还鼓励愿意考虑新位置的专业自行车手首先与我们接洽，这样我们就可以在冒险上路之前，在电脑和风洞中安全地调查他们。通过链接到Bert Blocken发送InMail。

我们使用了两种独立的方法(风洞测试和CFD)，在职位排名方面，这两种方法都给出了相同的结果。无论是在风洞试验中还是在CFD中，都不容易得到可靠的结果。两者都需要大量的专业知识。我们花了10个月的时间才达到我们现在拥有的非常高的精确度，特别是在模拟中。这是一笔巨大的投资，但它给了我们独特的专业知识，现在我们已经准备好以同样的精度进行测试和模拟，但速度要快得多。

没关系。我们不打算说服世界。我们有两种独立的方法得出相同的结果。我们基于匿名同行评议在顶级科学杂志上发表我们的研究结果。我们尊重所有的信仰，当它们是错误的时候也是如此。许多人(甚至一些自行车专业人士)凭直觉进行推理。在空气动力学中，直觉往往是一个糟糕的顾问。直觉和科学之间的争论可以而且将持续数年和数十年。这是一个有趣的问题，并使我们的工作非常相关。

Q3.。团队天空是一个科学团队，它测试一切，所以你的结果不可能是真实的。

我们一直都会被问到这个问题。当然，天空团队做了很多测试。每支像样的球队都是这样。但是没有一个团队可以测试所有的东西，即使他们有无限的预算。我们-作为在风洞测试和CFD模拟方面拥有长期专业知识的专业人士-花了10个月的时间才完成了我们现在报告的这项工作。因此，就我个人而言，我们相信克里斯·弗罗姆在第八阶段结束后说的话：“我没有练习这个，这是一种预感。”没有一个团队可以测试所有东西。空气动力学对于这个来说太复杂了。人类对空气动力学的研究已有2000多年的历史，近几十年来，全世界有数以千计的研究人员。然而，我们并不了解所有的事情。科学家们甚至对湍流(！)的定义都没有达成一致意见。因此，对自行车空气动力学的研究将持续数十年，甚至数百年。天空很棒，但也是地面的。他们不可能什么都测试。没人能做到。

这项工作由NWO Exceste en Natuurwatenschappen(物理科学)赞助，超级计算机设施的使用，由荷兰科学研究组织(NWO)提供财政支持，由荷兰组织Wetenschappelijk Onderzoek(荷兰科学研究组织，NWO)提供资金支持。