Aerodynamic Influence Over Leading and Pursuing Motorcycles Equipped With Downforce-Generation Wings

本研究利用数值模拟证明，领先摩托车上的空气动力学翼片会产生湍流尾流和相干涡旋，通过改变升力和翘头倾向，独立且显著地使跟随的摩托车失稳，这表明竞赛管理机构应考虑禁止此类产生下压力的附加装置以提升安全性。

要点

想象两名摩托车手在高速公路上并排竞速。前方的车手是“领跑者”，后方的车手是“追逐者”。数十年来，赛车手们一直知道，如果追逐者紧贴领跑者后方，就能获得免费的“尾流”助力。领跑者将空气推开，在其身后形成一个低压的“气泡”或尾流区。追逐者置身于这个气泡中，面临的空气阻力更小，从而速度更快、能耗更低。这就像在大型船只的尾迹中游泳：水流更为平缓，你可以毫不费力地滑行。

然而，这篇论文探讨了一个现代变数：当领跑者的摩托车配备了翼片（类似于赛车上的小型翼片，旨在将赛车压向赛道以提升抓地力）时，会发生什么？

无形的拔河

研究人员利用强大的计算机模拟，观察这些翼片如何改变追逐者周围的空气。他们发现，翼片在领跑者身后形成了两种截然不同的“天气模式”，其作用方式与普通摩托车的简单尾流不同：

1. 湍流尾迹（旧模式）： 即使没有翼片，摩托车身后也会留下一团混乱、无序的气流。这就是经典的尾流，能帮助追逐者提速。
2. 翼尖涡流（新模式）： 领跑者身上的翼片会产生强大、旋转的气流管（涡流），像喷气发动机的尾烟一样向后延伸。这些涡流结构有序、强度大且持久。

“上升气流”与“下降气流”

论文指出，追逐者的体验完全取决于他们相对于这些旋转气流管的位置。

• “上升气流”陷阱（危险区）： 如果追逐者位于领跑者正后方，与翼片对齐，他们就会遭遇“上升气流”。这就像站在一个向上吹风的大风扇下。这种向上的推力会将追逐者摩托车的前轮抬起。在赛车中，前轮抬起是坏事；它会让车辆感觉轻盈且不稳定，并削弱急刹车所需的抓地力。论文发现，这些由翼片产生的涡流实际上会抵消有益的“尾流”效应，让追逐者感觉刹车失灵。
• “下降气流”益处（安全区）： 如果追逐者稍微向侧面移动（横向偏移），他们可能会捕捉到涡流外缘的“下降气流”。这就像站在一个向下吹风的大风扇下。这会将追逐者的前轮牢牢压向路面，增加抓地力和稳定性。在这个特定位置，领跑者的翼片实际上有助于将追逐者“压”在路面上。

“幽灵”效应

最令人惊讶的发现之一是，这些由翼片产生的气流模式并不会立即消失。它们会向下游传播很远的距离。即使追逐者落后数个车身长度，这些有序的涡流依然存在，影响着车辆的行为。它们就像无形的手，无论赛车手相距多远，都能将车辆向下压（有利于刹车）或向上抬（不利于刹车）。

现实世界的后果

作者将这一发现与现实中的赛车事故联系起来。他们提到了一些具体的撞车事件：车手试图超越另一辆车，但在尝试刹车时，前轮却抬了起来，导致无法停下。论文认为，这是因为追逐者骑在了由领跑者翼片产生的“上升气流”区，这剥夺了他们减速所需的下压力（抓地力）。

核心结论

论文总结道，虽然这些翼片让领跑者的车辆更快、更稳定，但它们为任何追逐者制造了一个“危险的天气系统”。装有翼片的摩托车身后的空气不再仅仅是有益的尾流，而是有益力与有害力的复杂混合体，可能突然导致车辆失控。

作者建议赛事组织者可能需要重新审视规则。他们提出，或许应该将翼片做得更小，甚至完全移除，以使比赛更安全，因为当前的设计为追逐车群的骑手制造了不可预测的空气动力学陷阱。他们认为，虽然这项技术提升了性能，但它引入了隐藏的风险，使得这项运动比必要的情况更加危险。

技术摘要

技术摘要：配备下压力生成翼片的领先与追逐摩托车之间的空气动力学影响

问题陈述
空气动力学附加装置，特别是旨在产生下压力的前翼，已成为现代摩托车赛车（例如 MotoGP 和 WSBK）的标准配置，用于提升制动性能和弯道稳定性。然而，配备此类翼片的领先摩托车与追逐摩托车之间的空气动力学相互作用仍鲜为人知。虽然标准湍流尾流产生的“尾流效应”（减阻）已有详尽记录，但由下压力装置产生的相干翼尖涡引入了复杂的流动动力学。本研究的核心问题在于：这些以向上洗和向下洗速度分量为特征的特定流动结构，如何影响后随摩托车的稳定性、升力、阻力及俯仰力矩，从而在超车动作或集团骑行期间可能引发危险状况。

方法论
本研究采用雷诺平均纳维 - 斯托克斯（RANS）方法的计算流体动力学（CFD）来模拟空气动力学环境。

• 数值框架：模拟使用 OpenFOAM（v2112）结合有限体积法进行。湍流采用$k$-$\omega$剪切应力输运（SST）模型进行建模。
• 几何模型：基础几何模型为雅马哈 YZF-R1 量产运动摩托车，去除了道路合法特征（后视镜、转向灯）并包含 tucked 姿态的骑手。在前整流罩上添加了一个简化翼型（Selig-1223 翼型，攻角为 -40°）以模拟下压力生成装置。
• 模拟工况：分析了三种主要场景，涵盖纵向（5 厘米至 7 米）和横向（0 厘米至 60 厘米）的相对位置范围：
  1. 工况 1：领先和追逐摩托车均无翼片。
  2. 工况 2：领先摩托车装有翼片；追逐摩托车无翼片。
  3. 工况 3：两辆摩托车均配备翼片。
• 网格与收敛：网格数量从 1200 万到 2500 万个控制体积不等，并在摩托车周围设置加密盒以捕捉边界层和尾流结构。收敛在 1000 至 2000 次迭代后达成，空气动力学系数（$C_D$、$C_L$、$C_M$）取最后一半迭代的平均值。
• 运行条件：模拟假设不可压缩流，速度为 70 米/秒（252 公里/小时），产生的雷诺数约为$6.99 \times 10^6$。

主要结果
研究表明，配备翼片的领先者的空气动力学影响与标准钝体尾流的影响截然不同，这主要是由于相干翼尖涡的持续存在。

• 工况 1（无翼 - 无翼）：正如预期，由于低压湍流尾流，后随摩托车经历的阻力、升力和俯仰力矩均有所降低。这种降低有助于超车，并通过减少翘头倾向来提高稳定性。随着纵向距离的增加和横向偏移的增大，这些影响呈渐近式减弱。
• 工况 2（有翼领先者，无翼追逐者）：领先翼片的出现显著改变了流场。
  • 纵向影响：在较大的纵向距离处，与无翼场景相比，后随摩托车经历的升力和俯仰力矩反而增加。这归因于从领先翼片向下游输运的向上洗速度分量，该分量增加了后随摩托车的有效攻角，从而增加了前轮抬起（翘头）的倾向并损害了稳定性。
  • 横向影响：横向位置至关重要。当后随摩托车与翼尖涡核心对齐时，升力系数负向增加（不利）。然而，在特定的横向偏移处（约 25 厘米至 60 厘米），向下洗分量占据主导地位，降低了升力和翘头倾向，提供了稳定性优势。
• 工况 3（有翼 - 有翼）：当两辆摩托车均配备翼片时，后随翼片的性能深受领先者尾流的影响。
  • 下压力损失：当靠近领先者时，后随翼片产生的下压力显著减少，这主要是由于向上洗分量所致。这种前轮胎载荷的损失被确定为赛车条件下制动能力下降的主要原因。
  • 阻力恢复：虽然由于尾流效应阻力降低，但下压力的损失抵消了部分性能优势，造成了一种“危险的性能状态”，即摩托车速度更快，但稳定性更差且更难制动。

意义与主张
该论文断言，由下压力翼片产生的相干涡对独立于湍流尾流影响追逐摩托车，并在所有测试的相对距离中持续存在。这挑战了尾流效应普遍有益的观点；在配备翼片的摩托车背景下，尾流可能会主动损害后随摩托车的稳定性和制动性能。

作者强调，目前将翼片整合到整车套件中的设计理念创造了一个安全悖论：虽然翼片提升了领先摩托车的性能，但它们为追逐者引入了不可预测且潜在危险的空气动力学条件。引用具体的赛车事故（例如 2023 年瓦伦西亚站比赛和 2024 年澳大利亚大奖赛撞车事故），该论文指出，在配备翼片的领先者尾流中失去空气动力学下压力是近撞和撞车场景的促成因素。

因此，研究结论认为，虽然完全移除翼片可能会破坏当前的车辆动力学，但摩托车管理机构应考虑稳步减少允许的翼片几何尺寸，或最终将其消除，以改善所有赛车类别的安全条件。研究结果表明，目前的空气动力学附加装置虽然有利于单车性能，但损害了赛车集团的安全边际。