طراحی سوپاپ‌های چرخ‌های عملکردی: کاهش مقاومت بادی

مبانی آیرودینامیک: چگونه هندسه سوپاپ‌ها بر مقاومت در چرخ‌های عملکردی تأثیر می‌گذارند

توربولانس در محل اتصال سوپاپ به لبه چرخ در شرایط باد جانبی

وقتی بادهای عرضی به چرخ‌های دوچرخه برخورد می‌کنند، جدایی ناگهانی جریان هوا را در همان نقاطی ایجاد می‌کنند که سیم‌های پیچشی (اسپوک‌ها) به حلقهٔ چرخ (ریم) متصل می‌شوند. این پدیده باعث ایجاد گرداب‌های چرخان می‌شود که طبق آزمایش‌های تونل باد، مقاومت آیرودینامیکی را تا ۱۸٪ نسبت به چرخ‌هایی با سطوح صاف افزایش می‌دهد. اما اگر لبه‌های این نقاط اتصال گرد باشند نه تیز، جریان هوا دور آن‌ها به‌طور مؤثرتری جریان خواهد یافت. نتیجه چیست؟ انتقال‌های بسیار هموارتر و حدود ۴۰٪ کاهش انرژی جنبشی توربولانس بر اساس شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای در مقایسه با پروفیل‌های مربعی سنتی. برای رقابت‌کنندگانی که اغلب در رقابت‌ها با بادهای عرضی مواجه می‌شوند، تنظیم دقیق شکل این نقاط اتصال واقعاً تفاوت‌ساز است. طراحی‌های بهینه‌شده ضریب مقاومت را در محدوده‌ای بین ۰٫۰۳ تا ۰٫۰۵ کاهش می‌دهند؛ این رقم شاید چندان قابل توجه به نظر نرسد، اما به دوچرخه‌سواران لبهٔ محسوسی در رقابت‌هایی می‌دهد که هر ثانیه‌اش حیاتی است.

ناهمسانی اختلاف فشار و جداشدن گرداب‌ها در آرایه‌های چرخان اسپوک‌ها

وقتی چرخ‌ها می‌چرخند، سیم‌های آن‌ها نواحی متناوبی از فشار بالا و پایین ایجاد می‌کنند که منجر به اثرات آزاردهندهٔ جدایش گرداب‌ها می‌شود و باعث ایجاد کشش نوسانی می‌گردد. برای چرخ‌های معمولی با ۲۴ سیم، این ارتعاشات در سرعت حدود ۴۰ کیلومتر در ساعت، بین ۸۰ تا ۱۲۰ بار در ثانیه رخ می‌دهد و در این فرآیند تقریباً ۱۵ تا ۲۵ وات توان هدر می‌رود. سیم‌های تیغه‌مانند جدید این مشکل جدایش را حدود ۳۰ درصد کاهش می‌دهند، زیرا شکل صاف‌تر آن‌ها جریان هوا را مدت طولانی‌تری به سطح چرخ متصل نگه می‌دارد. اما در اینجا نیز یک تبادل وجود دارد: این بخش‌های ضخیم‌تر تیغه‌ای، وزن چرخشی را افزایش داده و شتاب‌گیری سریع دوچرخه از حالت سکون را سخت‌تر می‌کنند. امروزه اکثر طراحان رویکردی مخروطی (تدریجی) را انتخاب می‌کنند که در آن ضخامت سیم از مرکز به سمت دیسک تدریجی کاهش می‌یابد و نسبت ضخامتی تقریبی ۱ به ۳ حفظ می‌شود. این روش به کاهش آشفتگی پشت چرخ کمک می‌کند، در عین حال استحکام کافی برای تحمل شرایط واقعی رانندگی را نیز حفظ می‌نماید — طبق آزمایش‌های انجام‌شده در تونل باد و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری.

پروفیل‌های پره‌دار، گرد و ترکیبی از پره‌ها: مصالحه‌ها برای چرخ‌های با عملکرد بالا

پره‌های پره‌دار: بهبود پایداری در زاویه انحراف در مقابل محدودیت‌های سفتی و ساخت‌پذیری

در آزمون‌های تونل بادی که در سال ۲۰۲۲ در مجله آیرودینامیک منتشر شد، نشان داده شد که اسپوک‌های تیغه‌دار نسبت به اسپوک‌های معمولی گرد، مقاومت هوایی را حدود ۸ درصد کاهش می‌دهند. این امر به دلیل شکلی شبیه به بال‌های هواپیما (فُویل) دارد که در واقع تشکیل گرداب‌های آزاردهنده را متوقف می‌کند، مشروط بر اینکه زاویه انحراف از محور مرکزی بیش از حدود ۱۵ درجه نباشد. با این حال، نکته‌ای وجود دارد که ارزش ذکر دارد: ضخامت تیغه‌ها آنقدر کم است که در عمل، سفتی چرخ را در جهت عرضی کاهش می‌دهد و سفتی جانبی را در حین پدال‌زدن شدید، بین ۱۵ تا ۲۰ درصد کاهش می‌دهد. تولید این نوع چرخ‌ها نیز داستانی کاملاً متفاوت است. فرآیند ساخت نیازمند کنترل بسیار دقیقی است؛ مثلاً انحراف زاویه‌ای تیغه‌ها باید در محدوده نیم درجه در هر دو جهت نگه داشته شود. اکثر شرکت‌ها به قالب‌های ویژه فیبر کربنی لازم برای این سطح از دقت دسترسی ندارند. پس نتیجه نهایی چیست؟ دوچرخه‌سوارانی که بیشتر به حفظ سرعت‌های بالا در مسافت‌های طولانی علاقه دارند تا به شتاب‌گیری‌های انفجاری، احتمالاً بهره‌های آیرودینامیکی این چرخ‌ها را به اندازه‌ای ارزشمند می‌دانند که تحمل این کاهش سفتی و پیچیدگی تولیدی را بپذیرند.

طراحی‌های ترکیبی بیضوی–تیغه‌ای در چرخ‌های عملکردی مورد تأیید UCI

طراحی ترکیبی سوپورت‌ها ترکیبی از ساختارهای پایه بیضوی است که استحکام را در ناحیه محور افزایش می‌دهند و بخش‌های تیغه‌ای که به سمت لبه چرخ باریک می‌شوند. این ترکیب، تعادل مناسبی بین آیرودینامیک، دوام و انطباق با مقررات لازم ایجاد می‌کند. آزمایش‌ها روی مدل‌های مورد تأیید UCI نشان می‌دهد که این طراحی‌ها بر اساس مطالعات اعتبارسنجی اخیر سال ۲۰۲۳، حدود ۱۲ درصد نوسان کمتری در مقاومت هوایی در برابر زوایای مختلف باد نسبت به چرخ‌های سنتی کامل‌التیغه دارند. همچنین این چرخ‌ها با الزامات دفتر قوانین UCI در مورد ابعاد چرخ، به‌ویژه نسبت عرض به عمق ۲٫۵ به ۱ که در بند ۱٫۳٫۰۱۸ ذکر شده است، سازگان هستند. عامل اصلی مؤثر بودن این رویکرد معماری این است که به‌صورت همزمان چندین عامل عملکردی را بررسی می‌کند بدون اینکه در هیچ‌یک از این جنبه‌ها از نظر کیفیت کاسته شود.

• ۵ تا ۷ درصد اینرسی چرخشی کمتر از سوپورت‌های تیغه‌ای سنتی
• ۹۴ درصد کاهش مقاومت خطی که توسط طراحی‌های کامل‌التیغه حاصل می‌شود
• رعایت کامل استانداردهای ایمنی UCI در مورد انحراف سیم‌های پرده‌ای

پیکربندی‌های پیشرفته سیم‌های پرده‌ای: سیم‌های Y-شکل، سیستم‌های چندسیمه و کارایی سازه‌ای

بهینه‌سازی تعداد سیم‌های پرده‌ای و زاویه شاخه‌بندی برای همدوسی جریان پشتی و اینرسی چرخشی

طراحی ساختارهای غیرمتقارن چرخ، مانند سیم‌های پرده‌ای به شکل حرف Y و سیستم‌های چندسیمی، به کاهش اینرسی چرخشی کمک می‌کند، زیرا این طراحی بیشترین بخش از وزن را نزدیک‌تر به مرکز چرخ قرار می‌دهد. این امر شتاب‌دهی بهتری را فراهم می‌سازد، در عین حال سفتی مناسبی در جهت جانبی (چپ‌به‌راست) نیز حفظ می‌شود. با این حال، وقتی تعداد سیم‌های پرده‌ای در این طراحی‌ها کمتر باشد، در صورت نامناسب بودن زوایای شاخه‌بندی سیم‌ها، گرداب‌های قوی‌تری در زوایای حمله بالاتر ایجاد می‌شود. آزمون‌های انجام‌شده در تونل باد نشان داده‌اند که در صورتی که این زوایای شاخه‌بندی در محدوده‌ای بین ۲۵ تا ۳۵ درجه قرار گیرد، جریان هوا به‌صورت هموار دور لبه چرخ عبور می‌کند و به‌جای جداشدن زودهنگام، مدت طولانی‌تری روی سطح پشتی چرخ چسبیده می‌ماند و تنها در انتهای کامل آن از سطح جدا می‌شود.

منبع: مجله مهندسی باد و آروآیرودینامیک صنعتی، ۲۰۲۳

در حالی که دیسک‌های همراه با پره‌های Y بیشترین کاهش مقاومت هوایی را فراهم می‌کنند (میانگین ۱۲ درصد)، سیستم‌های چندپره از مقاومت برتر در برابر ضربه برخوردارند. بهینه‌ترین پیکربندی ترکیبی از حداقل تعداد پره با نقاط شاخه‌بندی‌شده‌ای با دقت هندسی بالا است—که این امر از طریق شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) تأیید شده است—تا بازدهی آروآیرودینامیکی به حداکثر برسد. و دوام در شرایط واقعی.

اعتبارسنجی آروآیرودینامیک پره‌ها: آزمون‌های تونل باد و دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای چرخ‌های عملکردی

دستیابی به نتایج دقیق برای آیرودینامیک سیم‌های چرخ نیازمند ترکیب آزمون‌های تونل باد در دنیای واقعی با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای دقیقی است که به‌صورت مدل‌سازی CFD شناخته می‌شوند. تونل‌های باد در واقعیت مقدار مقاومتی را که چرخ‌های با عملکرد بالا در برابر بادهای عرضی و جانبی در شرایط واقعی از خود نشان می‌دهند، اندازه‌گیری می‌کنند و تمامی روش‌های پیچیده تعامل سیم‌ها، لبه‌های چرخ و هوا را نمایش می‌دهند. سپس مدل‌های رایانه‌ای با بررسی تفاوت‌های فشار و الگوهای گردابی هوا در مقیاس‌های بسیار کوچک، شکاف‌های موجود را پر می‌کنند. این مدل‌ها نقاطی را شناسایی می‌کنند که در آن‌ها آشفتگی هوا در محل اتصال سیم‌ها به لبه‌های چرخ بیشترین میزان را دارد و نحوه تأثیر تغییر شکل سیم‌ها بر روی پشت‌سر (Wake) چرخ را مشخص می‌سازند. برترین سازندگان قطعات دوچرخه‌سواری در دوره‌های توسعه محصول از هر دو روش استفاده می‌کنند. آن‌ها طراحی‌ها را سریع‌تر اصلاح می‌کنند، در عین حال استحکام کافی برای شرایط واقعی رانندگی را حفظ می‌کنند. بر اساس مطالعات اخیر (مجله مهندسی مکانیک، ۲۰۲۳)، بهترین شرکت‌ها موفق می‌شوند تا مدل‌های رایانه‌ای خود را تا حدود ۳ درصد با نتایج تونل باد همسو کنند. این همخوانی نزدیک به این معناست که هرگونه کاهش مقاومت هوایی مشاهده‌شده در آزمایشگاه، در عمل نیز به‌صورت کاهش واقعی در مقاومت هوا در زمانی که دوچرخه‌سواران در جاده‌ها رکاب می‌زنند، ظاهر می‌شود.

بخش سوالات متداول

• پدیده‌ی جدایش گردابه در آرایه‌های پره‌ای چرخان چیست؟ جدایش گردابه به نواحی متناوب فشار بالا و پایین ناشی از حرکت پره‌ها اشاره دارد که منجر به ایجاد کشش نوسانی شده و عملکرد آیرودینامیکی چرخ را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
• پره‌های تیغه‌مانند چگونه بر عملکرد دوچرخه‌سواری تأثیر می‌گذارند؟ پره‌های تیغه‌مانند با ایجاد اشکال صاف‌تر، مقاومت را کاهش می‌دهند و به حفظ چسبندگی جریان هوا کمک می‌کنند؛ این امر منجر به افزایش پایداری در زاویه‌ی یاو (yaw) می‌شود، اما با کاهش سفتی عرضی همراه است.
• مزایای طراحی‌های ترکیبی پره‌های بیضوی-تیغه‌مانند چیست؟ طراحی‌های ترکیبی تعادلی بین کاهش تغییرات مقاومت، کارایی آیرودینامیکی و انطباق با استانداردهای ایمنی اتحادیه‌ی بین‌المللی دوچرخه‌سواری (UCI) ایجاد می‌کنند و بخش‌های بیضوی و تیغه‌مانند متراکم‌شده را تلفیق می‌نمایند.
• آزمون تونل باد چرا برای آیرودینامیک پره‌ها حیاتی است؟ آزمون تونل باد داده‌های واقعی درباره‌ی مقاومتی که چرخ‌های پرفورمنس در شرایط مختلف باد با آن روبرو می‌شوند، فراهم می‌کند و امکان ارزیابی دقیق و بهبود طراحی پره‌ها را فراهم می‌سازد.
• آیا چرخ‌های پرفورمنس با تعداد پره‌های کمتر مزیت دارند؟ کاهش تعداد اسبورک‌ها موجب کاهش لختی چرخشی شده و شتاب را بهبود می‌بخشد، اما نیازمند زوایای شاخه‌بندی دقیقی است تا جریان هوا هموار باقی بماند و تشکیل گرداب‌های قوی جلوگیری شود.