Précurseur - Les critiques et ceux qui ont un intérêt direct
J'ai ajouté cette section au début de cet article de blog. La méthode utilisée par ce test est appelée état transitoire et elle est utilisée lorsque l'aérodynamique change constamment. C'est difficile à expliquer en détail dans un article de blog, j'ai donc lié à une vidéo youtube (si vous ne pouvez pas ouvrir la vidéo ci-dessous, veuillez vous référer au lien https://youtu.be/lwrCrU4KG-I ).
La partie importante de la vidéo se situe à 10m20 et cela montre la différence entre le flux d'air qui existe dans le monde réel, le flux d'air auquel les fabricants testent et un test transitoire (turbulent). Le flux généré dans une soufflerie en régime permanent se produit rarement dans la vie réelle et est à la limite de l'acceptable pour un vélodrome.
Sachez que de nombreuses entreprises de roues utilisent les utilisateurs de forums Internet comme méthode de vente subversive d'une réalité qui n'existe pas sous l'hypothèse d'une économie d'énergie impossible. JE NE VENDS PAS DE ROUES DONC JE N'AI AUCUN INTÉRÊT PARTICULIER et reste impartial.
Bref, les fabricants de roues exagèrent leurs économies d'énergie et testent avec des méthodes INAPPROPRIÉES À UN USAGE ROUTIER. S'ils vous disent le contraire, ils mentent catégoriquement et je serais plus qu'heureux de le prouver devant un tribunal.
Introduction
En termes de traînée causée par un cycliste, la plus grande perte est causée par le cycliste lui-même, suivi des roues et du cadre.
La traînée causée par les roues est importante pour deux raisons fondamentales. Le premier est qu'ils frappent l'air en premier car ils sont la partie la plus en avant du vélo et en second parce qu'ils tournent. La vitesse effective de l'air au sommet d'une roue/pneu est le double de la vitesse indiquée du vélo.
Dans l'industrie du vélo, les tests aérodynamiques des roues ont généralement été effectués par deux groupes de personnes : les fabricants de roues et les journalistes. Les fabricants de roues ajustent généralement les tests pour rendre leurs roues particulières plus favorables que leurs concurrents lors des tests. Ceci est généralement réalisé par une combinaison de vitesses et d'angles de réglage. La réalité est que ce type de test n'est pas impartial.
Les journalistes, quant à eux, ont tendance à se rendre dans leur université locale et à demander à un boffin intelligent d'effectuer leurs tests pour eux et de leur donner les résultats ou de se rendre dans leur vélodrome local, de maintenir une vitesse et de voir la puissance consommée par les roues.
Les deux méthodologies de test ci-dessus ne sont pas représentatives du monde réel. Une analogie comparative serait la consommation de carburant d'une voiture roulant sur une surface de route parfaitement lisse, sans vent ni changement de vitesse - c'est totalement irréaliste.
Les tests qui ont été effectués sont généralement en régime permanent. Une analyse en régime permanent suppose que les roues, le vélo et le cycliste se trouvent dans un environnement agréable où l'air les frappe à une vitesse et un angle parfaits. La traînée est alors enregistrée.
Dans le monde réel, très peu de cyclistes ont la capacité de maintenir une vitesse de 50 km/h pendant un certain temps car ils ne sont tout simplement pas assez en forme. La réalité est sur la route ouverte, le vent ne vient pas d'un angle parfait, ses changements de vitesse et des éléments comme le mobilier urbain (haies, bordures, voitures qui passent, le cycliste se balance de gauche à droite) perturbent le flux d'air au-dessus du cycliste. La modélisation de ce type de situation s'appelle l'analyse transitoire. Il est techniquement plus difficile de réaliser une analyse transitoire à la fois en CFD et en soufflerie. La plupart des souffleries ne sont pas conçues pour effectuer des analyses transitoires.
Les fabricants de roues utilisent désormais une analyse pondérée des angles de lacet et des vitesses pour donner une note globale à leurs roues. Gardez à l'esprit qu'ils peuvent ajuster leur pondération pour rendre leurs roues plus belles !
Une méthode d'analyse supérieure consiste à effectuer une analyse transitoire dans une soufflerie. Cela nécessite une soufflerie avec des persiennes horizontales et verticales pour ajouter Swirl à l'air avant qu'il ne frappe le vélo et le cycliste. Cela permet une estimation beaucoup plus réaliste de la traînée car elle simule les conditions de la route.
Conseils généraux
Angles de lacet
Les fabricants de roues vantent leurs roues comme ayant une traînée fantastique à différents angles de lacet. L'efficacité de leur marketing est remarquable car de nombreux afficheurs sur Internet le croient également.
En raison des lois de la physique, pour un cycliste moyen, l'angle de lacet maximum avant que la séparation complète ne se produise est d'environ 12 degrés. Une section transversale plus émoussée (toroïdale) pourrait atteindre 15, mais c'est vraiment la limite. Cette limite de séparation est affectée par une variable connue sous le nom de nombre de Reynolds (une combinaison de la vitesse, de la densité, du profil de la forme et de la viscosité)
La conception aérodynamique est toujours un compromis, l'augmentation du point de séparation à des angles de lacet élevés aura toujours un impact négatif sur la traînée à des angles de lacet très faibles (<5 degrés).
Lors de tests répétés, les roues avec de très bonnes performances transitoires fonctionnent mieux pour le cycliste moyen.
Pneus
Cette orientation est uniforme dans tous les domaines. Il est extrêmement important d'installer des pneus légèrement plus étroits ou alignés avec la piste de freinage de la jante. Un pneu en montgolfière aura un impact significatif sur la traînée.
Il y a eu une tendance vers des pneus plus larges sur les vélos ces derniers temps. D'un point de vue aérodynamique, la largeur du pneu arrière a peu d'effet mais la largeur du pneu avant a beaucoup plus d'impact et donc un pneu avant de 23 mm est recommandé, que la roue ait été conçue pour des pneus de 25 mm ou non. À des vitesses supérieures à 30 km/h, il est plus avantageux d'avoir des pneus de 23 mm que des pneus avant de 25 mm pour un avantage aérodynamique.
Protocole de test
Le protocole de test est le produit d'un "travail de week-end" par un groupe d'ingénieurs aérospatiaux de Bristol, en Angleterre. Le protocole de test est très différent des tests du fabricant. Il est fondamentalement impartial et imite les conditions de conduite du monde réel dans le sens où il modélise le mouvement de l'air transitoire. L'accent est mis sur les roues qui gèrent efficacement la séparation et le rattachement du flux d'air, très peu d'accent est mis sur la conduite d'un vélo directement dans un vent de face à un lacet de zéro degré - ce n'est pas réaliste, alors pourquoi s'embêter à le tester. La soufflerie utilisée était à température et humidité contrôlées.
Le graphique ci-dessous montre un exemple d'un trajet où un cycliste roulait sur une route droite à une vitesse presque constante. Il est clair que ni la vitesse de l'air ni l'angle de lacet n'étaient constants.
La base réelle de ce protocole repose sur deux sous-ensembles de cyclistes dans la région de Bristol (Royaume-Uni). Des coureurs qui sont de bons coureurs de club roulant à 30 km/h en moyenne et des contre-la-montre à 50 km/h en moyenne. Les données de leurs trajets en termes d'angles de lacet effectifs, de vitesse et de distribution de la pression atmosphérique ont été enregistrées sur 6 mois. Cela a été évalué, agrégé et cartographié selon un protocole adapté à une soufflerie. La méthode de transformation consistait à analyser statistiquement les conditions routières, à appliquer une transformation rapide de Fourier aux données et à exécuter des simulations de test pour validation. Les deux protocoles discrets sont présentés ci-dessous.
LES GRAPHIQUES NE REPRÉSENTENT PAS UN CYCLE DE CONDUITE, ILS INDIQUENT LES PARAMÈTRES SUR LESQUELS LES ROUES ONT ÉTÉ TESTÉES. Les souffleries ont des limites et une partie de l'exercice de collecte de données consiste à valider les données au fur et à mesure de leur traitement. Il est coûteux et long de rectifier les erreurs ultérieurement. Pour reproduire les conditions transitoires, la vitesse d'impulsion ou l'angle d'impulsion sont tous deux acceptables. Les essais au sol ont été utilisés pour valider l'un par rapport à l'autre pour chaque essieu.
Grâce à l'enquête, il a été constaté que les micro-corrections des cyclistes et la nature quelque peu aléatoire de la vitesse du vent et de la déviation de l'angle de lacet produisaient une réponse transitoire de la combinaison vélo et cycliste. C'était bien pire sur les roues car elles tournaient dans un courant d'air venant en sens inverse. En effet, un cycliste qui roulait en ligne parfaitement droite dans un vent venant en sens inverse générait des turbulences / tampons / battements par le vélo se balançant d'un côté à l'autre. Ce qui serait considéré comme un angle de lacet de zéro degré dans une analyse en régime permanent se comporte plutôt comme 5-6 degrés lorsque les effets transitoires sont pris en compte.
Ce protocole imite la nature agitée du cycliste dans la configuration du flux d'air et produit une valeur de traînée moyenne globale en fonction du temps et, par conséquent, une puissance moyenne. Il est conçu pour éliminer les roues qui ont de mauvaises performances transitoires. Les lignes sur les protocoles sont indiquées par souci d'exhaustivité, elles ne signifient pas que ce protocole favorise les conditions venteuses.
Traînée transitoire vs constante
Le concept d'effets de traînée transitoire a été bien noté dans les applications aérospatiales à basse vitesse telles que les drones de reconnaissance militaire. Ce concept transitoire n'a pas été appliqué aux produits liés à la bicyclette malgré la sensibilité écrasante des vecteurs de vitesse impliqués. À titre d'exemple, la vitesse du vent de travers sur un vélo dépasse souvent la vitesse vers l'avant (Rapport > 1). Une comparaison pour une voiture donnerait un rapport avant/vent de travers de 0,25 à une vitesse de croisière typique de 100 km/h.
Un obstacle important pour essayer de mesurer avec précision la traînée d'un vélo et d'un cycliste est l'arrêt du corps. Il existe de grandes zones sans corps solide (par exemple jante de roue au moyeu, triangles de tube de cadre, jeux entre les pneus et les cadres). Cela conduit à une séparation inévitable du courant libre de la surface du corps et se traduit par un tremblement aérodynamique ou des effets aéroélastiques (scintillement). Cela fait que le flux prend beaucoup de temps à se stabiliser et inévitablement pendant ce temps, une autre variable a changé et le processus se répète.
Pour illustrer l'impact de la traînée transitoire, le graphique ci-dessous montre l'angle de lacet qui est incrémenté dans les entrées de pas de 2 degrés toutes les 10 secondes (étiquettes de données affichées). Ceci est tracé en fonction de la force de traînée en régime permanent et en régime transitoire.
La ligne d'état stable montre les performances de traînée de l'essieu lorsque les lectures sont autorisées à se stabiliser, puis notées.
Les lignes transitoires sont plus représentatives de la vie réelle. Dans le cas de cette acquisition de données, un angle de lacet de référence a été établi et 2,5 deg/s de mouvement ont été superposés. Lorsque l'oscillation a été introduite, il y a eu une augmentation immédiate de la traînée sur les deux ensembles de roues. À 4 degrés de lacet, il y avait une différence notable entre les roues Reynolds et FLO. Les roues Reynolds ont été en mesure de gérer l'instabilité et les secousses bien mieux que les roues FLO. Au-delà de 12 degrés, aucune roue n'a pu contenir efficacement le tremblement et une séparation complète se produit.
Dans presque tous les cas, la traînée dans le monde réel est bien plus importante que dans un scénario en régime permanent. Il est particulièrement répandu sur les roues car elles tournent et la vitesse nette au sommet des roues est le double de la vitesse vers l'avant.
Temps passé à différents angles de lacet
Alors que l'objectif principal de cette étude était d'établir un protocole de soufflerie pour décrire l'analyse de la route. Certaines des données recueillies pourraient être utilisées pour des calculs génériques.
L'instrumentation utilisée pour l'analyse de la route avait un taux d'échantillonnage de 1024 fois par seconde. En combinant ce niveau de précision avec des protocoles de filtrage standard, il a été possible de déterminer l'angle de lacet effectif du vélo et du cycliste. En réduisant la résolution, les données ont été converties dans un format qui s'aligne sur les départements marketing des fabricants de roues pour l'angle de lacet par rapport au temps à cet angle. Ce faisant, cela a réduit la précision des résultats mais a été montré à des fins de comparaison.
Il convient de noter que les données transitoires reflétaient mieux le temps réel à un angle car elles tenaient compte des microcorrections pour la direction de l'entrée du pilote et des corrections instantanées pour la vitesse du vent. Le filtrage de l'état stable en réduisant la fréquence d'échantillonnage a supprimé l'instabilité. En résumé, la réponse de traînée par rapport au taux de changement de l'angle de lacet est un meilleur prédicteur de la réponse dans un flux libre à des angles inférieurs au point de séparation de la section.
Lorsque l'on considère une combinaison complète de vélo et de cycliste, l'effet des roues est relativement faible par rapport à la traînée causée par le cycliste, de sorte que la nature transitoire de la traînée des roues diminue. La traînée du pilote est de loin la partie dominante du système. Les effets de la réponse transitoire diminuent à mesure que le rapport entre la vitesse avant et la vitesse du tourbillon (vent de travers) augmente. Ainsi, plus le cycliste va vite, moins le comportement transitoire a d'effet.
L'effet de la largeur des pneus sur les performances aérodynamiques
Il y a eu une tendance générale vers des pneus plus larges dans l'industrie du vélo ces dernières années. Cela a été largement poussé par les fabricants de pneus et de roues qui se dirigent vers des conceptions sans chambre à air en partant du principe qu'un pneu plus large a une résistance au roulement plus faible. Alors que les effets de la résistance au roulement et d'une surface de contact plus favorable ont été bien documentés, l'effet sur la traînée aérodynamique a été contesté. Certains fabricants de roues ont affirmé que leurs roues étaient plus aérodynamiques avec des pneus plus larges - pour que cette affirmation soit valide, les roues auraient nécessité un coefficient de traînée combiné inférieur pour surmonter l'augmentation de la surface frontale.
Les graphiques ci-dessous montrent la comparaison entre deux roues, une Shimano C60 à corps étroit et une Enve 7.8 à corps plus large. Il était clairement évident qu'un pneu gonflé (25 mm sur une jante Shimano C60) avait un impact significatif sur la traînée, en particulier à des vitesses plus élevées. En revanche, l'effet sur la roue Enve plus large était beaucoup moins dramatique. Dans les deux cas, un pneu étroit réduit la traînée. Les pneus continentaux avaient tendance à mesurer légèrement plus large que leur largeur indiquée lorsqu'ils étaient montés.
Interprétation des données
Ces données doivent être interprétées comme celles des chiffres de consommation de carburant d'une voiture. Ils sont conçus pour donner une indication typique de la puissance absorbée sur une boucle de conduite ENTIÈRE à une vitesse donnée. Il est important de noter que les roues rapides à 50 km/h ne sont pas forcément les plus rapides à 30 km/h.
- L'ERREUR EXPÉRIMENTALE MAXIMALE a été calculée à +/- 2,5 %, le milieu de la plage est tracé pour chacune des valeurs afin de maintenir la cohérence
- Les profondeurs de jante sont divisées en classes pour faciliter la comparaison, elles peuvent ne pas correspondre à la taille indiquée par le fournisseur.
- La puissance nominale dans une analyse transitoire est bien pire qu'une analyse en régime permanent
- Les commentaires sont indiqués pour tout ce qui est remarquable
- La position du pilote était à +/- 10 mm pour chaque course, cela a été sauvegardé avec un râteau de pression monté à l'envers pour supprimer toutes les données erronées. Il y a eu des commentaires suggérant qu'un cycliste ne pouvait pas garder une position fixe pendant toute la durée du cycle - le protocole ne l'exige pas, la vérification des erreurs est intégrée. Bien que inhabituel pour l'industrie du cyclisme, la suppression de la traînée des appendices est courante dans l'industrie aérospatiale donc la même technique a été appliquée
- Le pneu de contrôle était une paire de Continental GP4000SII 23 mm avec une pression de 8,25 BarG, il y a quelques combinaisons de roues et de pneus qui sont surlignées en jaune montrant une variation par rapport au pneu de contrôle, celles-ci ont été incluses pour référence
- La traînée de ROTATION nécessaire pour faire tourner la roue vers le haut est incluse (la plupart des fabricants n'incluent pas ce chiffre qui est d'environ 25 à 30 %, une exception notable étant le côté suisse)
- La position de conduite (capots détendus) reste inchangée quelle que soit la vitesse. En réalité, des vitesses élevées nécessiteraient une position de conduite différente, mais cela aurait invalidé le test.
Qui teste en conditions transitoires ?
À ce jour, la seule entreprise qui a confirmé avoir testé et inclus les turbulences (conditions transitoires) lors de la conception est SwissSide. Jean-Paul Ballade de SwissSide a commenté la vidéo Youtube ci-dessus.
Bien que non confirmées, certaines caractéristiques des roues Mavic suggèrent qu'elles sont conçues ou testées dans des conditions turbulentes.
conclusion
Les cyclistes ont longtemps été nourris avec des roues testées à 50 km/h, cette vitesse est inappropriée pour la grande majorité des cyclistes car ils ne peuvent pas maintenir la puissance requise pour cette vitesse. Il y a eu un processus de réflexion général selon lequel la plupart des déplacements se font à des angles de lacet inférieurs à 10 degrés. Bien que cela puisse être une affirmation valable si vous roulez à 50 km/h, cela ne se produit pas à des vitesses plus modestes. À la fois à 50 km/h et à 30 km/h, l'effet des microcorrections de la direction, la turbulence du vent lui-même et des objets extérieurs provoque un flux turbulent instable sur les roues. Ce phénomène entraîne une augmentation de l'angle de lacet effectif subi par les roues.
- Les roues qui ont bien fonctionné ont été sensiblement résistantes à la génération de zones de turbulence
- Les roues qui ont bien performé ont assez bien atténué les turbulences
- Les roues qui fonctionnaient bien avaient une traînée de rotation inférieure à celle de leurs concurrents
- Les roues avec une section de jante plus profonde sont généralement plus aérodynamiques que les sections peu profondes
- La différence entre les roues d'une profondeur similaire est très faible et il serait difficile pour un humain de pouvoir le détecter pendant la conduite
- La différence entre une roue à profil bas et une roue profonde serait captée par une conduite humaine.
- Les roues FLO cycling et Hunt ont mal fonctionné, elles semblent avoir été conçues par des personnes ayant une compréhension limitée de l'aérodynamique des objets en rotation. En tant que tels, ils généraient une séparation inutile et ne pouvaient pas gérer le flux d'air séparé
- Le disque Aerocoach et la roue avant à section profonde de 75 mm ont montré des résultats assez intéressants. Cette roue était essentiellement une roue en aluminium avec un clip sur le carénage. À des vitesses faibles à modérées, la roue fonctionnait raisonnablement, mais à mesure que la vitesse augmentait, la roue commençait à fonctionner de manière assez erratique. La construction de la roue avant est agricole et de grands espaces existent entre les rayons et le carénage non structurel. Ces lacunes ont généré des perturbations de pression et provoqué un comportement erratique de l'écoulement. Au fur et à mesure que la vitesse augmentait, ses performances devenaient assez médiocres par rapport à la concurrence immédiate et cela était principalement dû à la mauvaise conception de la roue avant. Une image du problème est montrée ci-dessous
Si vous envisagez d'utiliser les données de cet article pour influencer votre décision d'achat, veuillez les utiliser avec prudence. Certains aspects des roues, tels que leur qualité de construction générale, leurs performances de freinage, leurs moyeux et leur facilité d'entretien, ne sont pas mesurés. Ces facteurs doivent être pris en compte en conséquence.
(Chèque postal original de : https://www.hambini.com/testing-to-find-the-fastest-bicycle-wheels/ )
