《Applied Research》：Numerical Analysis of Winglets on Racing Motorcycles Under Slipstream Conditions
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摘要翻译：现代摩托车上的气动翼片（winglet）旨在通过增加下压力（downforce）并缓解前轮抬升来提升性能。然而，在滑流（slipstream）状态下，这些翼片对后方摩托车的气动影响仍缺乏定量研究。本研究针对这一相互作用，特别关注潜在的气动不稳定性。研
摘要翻译：现代摩托车上的气动翼片（winglet）旨在通过增加下压力（downforce）并缓解前轮抬升来提升性能。然而，在滑流（slipstream）状态下，这些翼片对后方摩托车的气动影响仍缺乏定量研究。本研究针对这一相互作用，特别关注潜在的气动不稳定性。研究人员采用稳态RANS k-ω SST湍流模型进行了计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）分析。仿真模拟了两辆摩托车（有无翼片两种配置）以串联编队形式行驶，并在接近比赛的近距离范围内改变车间距。结果表明存在显著的气动不稳定性。尽管单独行驶的摩托车在装备翼片时如预期产生了显著下压力，但后方摩托车却经历了显著的下压力损失。在最小车间距下，气动力完全反转，从有利的下压力转变为净正升力（positive lift）。这意味着翼片的预期功能完全丧失。这一现象的产生原因是：前车产生的湍流尾流严重扰乱了后车翼片周围的气流，使其失效。这些发现提供了明确证据，表明气动附加装置在近距离比赛中可能引发显著的气动不稳定性。研究人员推测，这种从下压力到升力的快速转变可能影响制动性能、转向响应和前轮载荷。因此，这些结果强调了监管机构应考虑这些相互作用效应的必要性，同时也凸显了开展耦合车辆动力学仿真以全面验证这些安全影响的迫切需求。
论文解读：滑流条件下摩托车翼片气动不稳定性的CFD研究
摩托车赛车运动对速度的极致追求常导致前轮抬升，进而降低牵引力、稳定性和操控性。自2015年现代赛车限制牵引力控制系统以来，各车队转而寻求替代方案以抑制前轮抬升，推动了空气动力学装置的创新发展，其中翼片（winglet）成为最突出的代表，其主要功能是产生下压力（downforce）以减少翘头（wheelie）。尽管翼片在单独行驶时能有效产生下压力，但在滑流（slipstream）条件下，前车湍流尾流对后车翼片的影响尚未得到系统量化，尤其是后车气动力由下压力向净升力反转的现象缺乏定量分析。既有研究多聚焦于滑流带来的减阻收益，如四轮车辆研究中后车可获23%的阻力降低和36%的下压力损失，但针对两轮车辆、特别是翼片在近距编队中失效的机理研究仍存在空白。为此，本研究通过系统的计算流体力学（CFD）分析，量化了有无翼片配置下前车和后车在多个明确车间距（0.25L至2.0L，L为摩托车长度）下的阻力系数和升力系数，重点揭示后车翼片从性能与安全装置转变为显著不利因素的条件。
研究人员采用数值分析方法，基于来自GrabCAD的摩托车三维模型（Han [21]）进行几何简化，去除车轮和传动系细节，驾驶员固定为全收腹赛车姿态。在模型前整流罩上加装倒置NACA 6412翼型（攻角10度）的翼片。计算域尺寸根据整车长度L、宽度W和高度H确定：入口距前车3L，总长17L，顶部净空6H，横向宽度13W，并在后部延长以捕捉尾流。采用稳态RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）方程、k-ω SST湍流模型，耦合二阶迎风离散格式，入口速度30 m/s（108 km/h），对应马赫数小于0.3，处于不可压缩流动范围。采用Ansys Fluent Mosaic Meshing技术生成网格，在翼片周围进行严格细化以捕捉前缘分离，在尾流区域进行体积细化以分辨两车之间的湍流结构。网格收敛性测试表明，面尺寸0.005 m时结果与0.004 m相差不大，故采用该网格尺寸。残差收敛至10?3阈值以下，存在的轻微振荡被归因于钝体绕流中的涡脱落现象。为建立基准置信度，将单独无翼片摩托车的阻力系数（Cd=0.246）和带翼片值（Cd=0.259）与文献[29]对比，略低归因于几何简化。需要强调的是，该研究纯属计算性质，结果未经风洞实验验证，定量值应视为气动趋势的强指示而非绝对预测。
研究结果分为三部分。第一，无翼片摩托车的阻力系数：在串联编队中，前车和后车均经历阻力降低，后车收益远大于前车。后车在0.25L距离处Cd降低27.11%，至2L处仍降低18.36%；前车在0.25L处降低8.77%，至2L处仅降低0.41%。表明车间距越近，减阻效应越强，滑流对后车提供最大气动优势。第二，无翼片摩托车的升力系数：编队中两车的升力系数均较单独状态增加。前车升力增加在0.25L处最大（35.58%），随距离增大递减；后车在近距离升力增加较小（0.25L处13.91%），但在远距离急剧增大（2L处61.35%）。这归因于两车气流相互作用改变了压力分布。第三，带翼片摩托车的阻力系数：单独状态Cd为0.2588。前车在0.25L处阻力降低6.44%，至2L处转为轻微增加0.40%；后车在0.25L处阻力降低28.17%，2L处仍降低18.52%。同样证实后车获得最大滑流减阻收益，且间距越近减阻越大。第四，带翼片摩托车的升力系数：单独状态Cl=-0.0371，表示翼片产生下压力。编队中前车下压力显著损失，在0.5L处损失最大（37.51%），随距离增大效应减弱。后车则发生极端变化：在0.25L和0.5L处不再产生下压力，反而产生正升力，其中0.25L处升力变化达-127.70%，完全由下压力反转为升力；在更远距离虽恢复微弱下压力，但数值仍远低于单独状态。
讨论部分对比了有无翼片配置的阻力和下压力损失百分比。阻力方面，前车位置无翼片配置始终比带翼片配置获得更大减阻百分比，表明翼片略微削弱前车滑流收益；后车位置带翼片配置在近距离减阻稍优（0.25L处-28.17%对-27.11%），总体而言翼片对后车滑流减阻有边际增强。下压力方面，前车带翼片配置在0.25L至1L距离内下压力损失更大，但在2L处损失几乎可忽略；后车带翼片配置的下压力损失极其严重，0.25L处达-127.70%，超过-100%意味着不仅丧失全部下压力还转变为正升力。该现象与前人研究[19]一致。
机理分析表明，后车翼片下压力丧失源于前车湍流低压尾流的直接冲击。前车产生的大尺度尾流以低流速和低压力为特征，后车进入该尾流后，其翼片不再与干净的高能气流接触，上下表面压差几乎被完全抵消。量化分析显示，前车尾流中最大湍动能（TKE）达约121 m2/s2，在0.25L间距下直接冲击后车，导致翼片表面发生提前流动分离，有效使气动装置失速，最终由摩托车主体几何产生的净升力占主导。CFD湍动能云图直观展示了近距时湍流尾流直接击中后车翼片，远距时尾流从后车上方经过，翼片可工作在较干净的气流中。
讨论还指出，尽管后车下压力显著损失构成气动不稳定，但对骑手安全（如前轮载荷、转向响应、制动性能）的直接冲击仍属基于气动学说的假设，需通过耦合车辆动力学仿真验证。从气动工程角度，采用主动气动装置（如检测到低压高湍流尾流时自动减小翼片攻角）可防止失速。战术上，骑手在重制动区域前应主动驶离滑流，使翼片重新接触干净气流以恢复下压力。此外，单靠2027年MotoGP规则中减小翼片几何尺寸可能无法完全消除该不稳定性，监管机构应考虑针对性规则，如规定特定翼片二面角以提高湍流尾流容忍度，或严格后整流罩设计以管理和扩散前车产生的湍动能。研究局限性在于：结论仅针对倒置NACA 6412翼型、10度攻角、单一速度30 m/s的特定工况；稳态RANS无法完全捕捉滑流尾流中的瞬态涡结构，建议未来采用非稳态RANS（URANS）或大涡模拟（LES）方法，并开展风洞实验验证。
研究结论可翻译为：本CFD分析定量证明了滑流条件下翼片引发的复杂气动相互作用。关键发现是，在所模拟的30 m/s转弯入口特定工况下，翼片虽能有效为单独行驶的摩托车产生下压力，但对后车骑手而言却可能转变为显著的气动劣势。在近距离比赛状态下，后车经历大量下压力损失，在本特定配置中甚至转变为净正升力。这一由前车尾流扰乱后车翼片气流所导致的现象，凸显了严重的气动突变，被推测对骑手稳定性、转向和制动控制构成关键风险。未来需采用耦合车辆动力学仿真将气动力反转定量转化为具体操控指标。研究的主要启示在于骑手安全和技术法规：随着MotoGP等赛事空气动力学研发加速，监管机构应考虑气动装置的相互作用效应，而非仅评估其单独性能。计划中的2027年减小翼片尺寸规则可能缓解部分问题，但可能仍需针对性规范。未来工作必须进行实验验证，并扩展至多种翼片几何、不同攻角、多种比赛速度，同时探索横向位置和动态转弯 maneuvers 的影响。
