Analyse van wieleraerodynamica en warmte- en vochttransport voor optimale prestaties en kledij.

De aerodynamische weerstand is een belangrijk aandachtspunt in het wielrennen, omdat deze verantwoordelijk is voor ongeveer 90% van de totale weerstand bij snelheden van meer dan 40 km/u op vlak terrein. De aerodynamische weerstand van beide wielen is hierbij een kritisch onderdeel, aangezien de wielen verantwoordelijk kunnen zijn voor ongeveer 10% van de gecombineerde luchtweerstand van de wielrenner en de fiets, en wedstrijden gewonnen kunnen worden met hele kleine tijdsverschillen. Eerder onderzoek naar de aerodynamica van fietswielen richtte zich vooral op de vergelijking van verschillende soorten wielen. Er waren echter grote verschillen in de meet- of rekenopstelling en ook grote discrepanties in het resultaat van de luchtweerstand voor dezelfde wielen geanalyseerd in verschillende studies. Dit geldt zowel bij het uitvoeren van windtunneltests (WT) als bij numerieke simulaties met computational fluid dynamics (CFD). Deze discrepanties verminderen het vertrouwen in de huidige test- en simulatiemethoden. Het verminderde vertrouwen in CFD-simulaties moet worden aangepakt door middel van een rigoureuze en systematische beoordeling van het effect van de belangrijkste berekeningsparameters en van de fysieke parameters op de aerodynamica van het fietswiel.

Het hoofddoel van dit proefschrift is het analyseren van de aerodynamica van het fietswiel en zijn impact op de totale aerodynamische prestatie tijdens het fietsen. Het primaire onderzoeksinstrument dat wordt gebruikt is CFD-simulatie, waarvan de resultaten worden gevalideerd met WT-experimenten die beschikbaar zijn in de literatuur of die specifiek in het kader van dit proefschrift worden uitgevoerd. Om dit hoofddoel te bereiken is de eerste deeldoelstelling het uitvoeren van een uitgebreid literatuuronderzoek naar de huidige praktijk van test- en simulatiemethoden voor de fiets in het algemeen en voor de aerodynamica van fietswielen in het bijzonder. Daarom is het noodzakelijk om een solide kader te creëren om nauwkeurige en betrouwbare CFD-simulaties van fietswielen uit te voeren, zodat de aerodynamica van verschillende wielen kan worden vergeleken, zowel wanneer de wielen geïsoleerd van de rest van de fiets worden beschouwd, als wanneer de wielen samen met de fiets worden beschouwd. De tweede deeldoelstelling is het opstellen van richtlijnen voor de CFD-modellering van de aerodynamica van de geïsoleerde wielen op basis van een systematische gevoeligheidsanalyse. De derde en laatste deeldoelstelling is de aerodynamica van geïsoleerd en niet-geïsoleerde fietswielen met elkaar te vergelijken, zowel in statische als roterende condities.

Het eerste deel van het proefschrift geeft een uitgebreid overzicht van de geschiedenis en de state of the art in de aerodynamica van de fiets, met de nadruk op zowel de aerodynamica van de fiets als de fietser(s). Het bevestigt het sterke gebrek aan consistentie en het gebrek aan vertrouwen in de huidige praktijk van de test- en simulatiemethoden voor de aerodynamica van de fiets. Het tweede deel van het proefschrift onderzoekt hoe berekeningsparameters zoals het rekenraster, de wijze van wielrotatie-modellering en de turbulentiemodellering - de aerodynamische resultaten van een wiel met spaken beïnvloeden. Er worden richtlijnen gegeven in verband met de topologie van het rekenraster en de resolutie van een wiel met spaken. Daarnaast worden het k-ω SST, γSST en Standard k-ε model met verbeterde wandbehandelingsmodellen voorgesteld wanneer de hybride MRF-RW rotatiebenadering wordt gebruikt om de wielrotatie te modelleren, terwijl het k-ω SST-turbulentiemodel wordt gebruikt wanneer de MRF-benadering wordt gebruikt om de wielrotatie te modelleren. Bovendien wordt het effect van de aanwezigheid of het ontbreken van de grond in CFD-simulaties van fietswielen beoordeeld. Het effect van het wiel/grondcontactmodel met en zonder zijwind op de aerodynamica van het wiel wordt gekwantificeerd, zowel wanneer het wiel van de grond wordt verplaatst - voorgestelde maximale afstand 10 mm of 20 mm respectievelijk met en zonder zijwind, - als wanneer een voetstuk of “step” het contactvlak tussen het wiel en de grond vervangt - voorgestelde maximale hoogte 10 mm. In het derde en laatste deel van het proefschrift wordt het wiel zowel geïsoleerd als niet geïsoleerd van de rest van de fiets en de fietser beschouwd, en worden verschillen in deze twee onderzoeksbenaderingen onderzocht.

De resultaten en richtlijnen die in dit proefschrift zijn ontwikkeld zullen onderzoekers en fabrikanten helpen om nauwkeurige CFD-simulaties van wielen uit te voeren, geïsoleerd of gecombineerd met de rest van de fiets en de fietser, zodat ze de aerodynamica van het wiel en zodoende de algehele prestaties van de fiets en de fietser kunnen beoordelen en verder optimaliseren