TWI787953B

TWI787953B - 基於自行車運動流場減阻之服裝及其粗糙元配置方法

Info

Publication number: TWI787953B
Application number: TW110129821A
Authority: TW
Inventors: 苗君易; 詹劭勳; 古德興; 陳家祥; 徐孝勇; 陳芸; 邱伃仙; 李劍; 陳子良; 陳嘉君; 袁薇茜; 曾建勳; 賴宜暉; 陳盈如; 陳儀珍
Original assignee: 財團法人成大研究發展基金會
Priority date: 2021-08-12
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2022-12-21
Also published as: TW202306505A

Abstract

本發明係提供一種基於自行車運動流場減阻之服裝及其粗糙元配置方法，其主要係界定於一運動姿勢下，經一流場而形成之至少一流場分離線，並於所述流場分離線處分別定義有至少一減阻區塊；並將至少一粗糙元分別對應設置於所述減阻區塊；而粗糙元係可為單一或複數具粗糙度之粗糙體排列形成單一長條狀、複數長條狀、非鏤空幾何圖形、鏤空之幾何圖形或其組合，並可透過貼設、織設、嵌設或直接成型於該服裝；藉此，本發明透過粗糙元之設置，藉以改變服裝表面之粗糙度，藉以於運動姿勢下，使運動者穿著該服裝時，可於該運動姿勢下產生阻力驟降之現象，以達致減阻之目的，藉可有利於運動(如：自行車競速)之進行者。

Description

基於自行車運動流場減阻之服裝及其粗糙元配置方法

本發明係提供一種基於自行車運動流場減阻之服裝及其粗糙元配置方法，尤指一種透過於服裝設置粗糙元，藉以令服裝於特定運動姿勢下可予因應流場而減阻者。

按，於空氣動力學中，其阻力主要可分為表面摩擦力與壓力阻力，其中依據表面摩擦力與壓力阻力所佔的比例可分為鈍形體(Bluff body or Blunt body)與流線體(Streamlined body)，而鈍形體主要之阻力來源為壓力阻力，壓力阻力主要係因物體前後壓力差所引起，是以，當氣流經物體，其表面上之逆向壓力梯度(Adverse pressure gradient)將使物體表面附近開始減速，並於減速達到一定程度時，即速度梯度為零(

u/

y=0,y=0)時，流體將不再沿物體表面流動，並產生流動分離現象(Flow separation)，使物體後方形成低壓區，此低壓區稱為尾流區。

而如前述者，人體於流場中，亦被視為一種鈍型體，故當流體流經人體，亦將產生流動分離現象，而於後方產生相當大的尾流區，使壓差阻力遠大於摩擦阻力，其原理可適用於現今之競速比賽，由於選手所穿著之運動服裝，諸如：賽車服、運動衣、泳衣或潛水衣，其材質皆具有極大之差異性，而於相同之比賽下，若運動服裝之材質不同，於相異運動速度下之運動服裝之阻力亦不相同，尤以高速運動下之阻力差異性為更甚者，其將影響選手競速比賽時之運動速度，進而造就不同之比賽結果；舉例而言，以自行車競賽為例，經統計，西元1900年至2014年，選手騎乘自行車一小時平均騎乘距離約於40至50之間，而現今騎乘自行車一小時之平均騎乘距離可達54.5公里，其平均騎乘距離增加之因素除自行車性能及自行車之空氣動力車架之設計外，騎乘姿勢與所穿著服裝之阻力亦為影響騎乘距離之主要因素，而因現今國際自由車聯盟(Union Cycliste Internationale,UCI)已明確訂定競賽規範，且現今之競賽規範嚴苛，自由車車體架構以及選手的姿態並不能任意變更，因此各國團隊即另投入空氣動力之研究，如：空氣動力學握把、減阻服裝、空氣動力安全帽、板輪、護目鏡與襪子等相關產品，以達到減低阻力的效果，而其中，服裝仍為主要減阻之配件，故若無法對應競速比賽之通常運動速度予以選用或設計運動服裝之材質及表面粗糙度，則有影響比賽結果之虞。

有鑑於此，吾等發明人乃潛心進一步研究服裝因應運動流場之減阻，並著手進行研發及改良，期以一較佳發明以解決上述問題，且在經過不斷試驗及修改後而有本發明之問世。

爰是，本發明之目的係為解決前述問題，為達致以上目的，吾等發明人提供一種基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其步驟包含：界定一運動姿勢，並藉以設置一模型；定義一流場，並將該模型置於該流場內，使流場之流體於該模型形成至少一流場分離線；偵測該模型上所形成所述流場分離線之位置；於該模型上之所述流場分離線之位置處分別界定一減阻區塊；以及設置一對應於該模型之服裝，並於所述減阻區塊處分別設置一粗糙元。

據上所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其中，所述粗糙元為單一或複數具粗糙度之粗糙體排列形成，且所述粗糙體之粗糙度係大於該服裝者。

據上所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其中，所述粗糙體係排列形成單一長條狀、複數長條狀、非鏤空幾何圖形、鏤空之幾何圖形或其組合者。

據上所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其中，所述粗糙體係貼設、織設、嵌設或直接成型於該服裝者。

據上所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其中，所述粗糙體係矽膠製成者。

據上所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其中，所述減阻區塊係位於形成所述流場分離線之前，且近所述流場分離線的區塊。

據上所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其步驟更包含：將標示體佈設於該模型；將該模型置於流場內，進而透過該流場使所述標示體於該模型形成移除區域及殘留區域；以及界定該移除區域及該殘留區域之交界處為所述流場分離線。

據上所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其中，所述減阻區塊係位於該移除區域近所述流場分離線之區塊者。

本發明另提供一種基於自行車運動流場減阻之服裝，其係基於如前所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法所界定減阻區塊處，分別設置一粗糙元者。

本發明亦提供一種基於自行車運動流場減阻之服裝，其包含：一服裝，其界定有於一運動姿勢下，經一流場而形成之至少一流場分離線，並於所述流場分離線處分別定義有至少一減阻區塊；以及至少一粗糙元，其係分別對應設置於所述減阻區塊。

據上所述之基於自行車運動流場減阻之服裝，其中，所述粗糙元為單一或複數具粗糙度之粗糙體排列形成，且所述粗糙體之粗糙度係大於該服裝者。

據上所述之基於自行車運動流場減阻之服裝，其中，所述粗糙體係排列形成單一長條狀、複數長條狀、非鏤空幾何圖形、鏤空之幾何圖形或其組合者。

據上所述之基於自行車運動流場減阻之服裝，其中，所述粗糙體係貼設、織設、嵌設或直接成型於該服裝者。

據上所述之基於自行車運動流場減阻之服裝，其中，所述粗糙體係矽膠製成者。

據上所述之基於自行車運動流場減阻之服裝，其中，所述減阻區塊係位於形成所述流場分離線之前，且近所述流場分離線的區塊。

是由上述說明及設置，顯見本發明主要具有下列數項優點及功效，茲逐一詳述如下：

1.本發明透過粗糙元之設置，藉以改變服裝表面之粗糙度，藉以於運動姿勢下，運動者穿著該服裝時，可於該運動姿勢下產生阻力驟降之現象，促使層流邊界層轉換紊流邊界層，以延後分離流線，進而減少尾流區的大小，以達致減阻之目的，藉可於運動(如：自行車競速)中降低阻力，使有利於取得較佳之競賽結果者。

1:模型

2:減阻區塊

3A:第一粗糙元

3B:第二粗糙元

3C:第三粗糙元

3D:第四粗糙元

3E:第五粗糙元

3F:第六粗糙元

3G:第七粗糙元

3H:第八粗糙元

3I:第九粗糙元

3J:第十粗糙元

4:標示體

S:流場分離線

S001~S005:步驟

第1圖係本發明步驟之流程圖。

第2圖係本發明呈一運動姿勢之模型示意圖。

第3圖係本發明之實驗中，於模型背部處產生之流場分離線之實驗圖。

第4圖係本發明之實驗中，於模型側面處產生之流場分離線之實驗圖。

第5圖係本發明之模型大腿處於界定流場分離線及減阻區塊之示意圖。

第6圖係本發明之模型前臂處於界定流場分離線及減阻區塊之示意圖。

第7A圖係本發明之第一粗糙元之俯視示意圖。

第7B圖係本發明之第二粗糙元之俯視示意圖。

第7C圖係本發明之第三粗糙元之俯視示意圖。

第7D圖係本發明之第四粗糙元之俯視示意圖。

第7E圖係本發明之第五粗糙元之俯視示意圖。

第7F圖係本發明之第六粗糙元之俯視示意圖。

第7G圖係本發明之第七粗糙元之立體示意圖。

第7H圖係本發明之第八粗糙元之俯視示意圖。

第7I圖係本發明之第九粗糙元之俯視示意圖。

第7J圖係本發明之第十粗糙元之俯視示意圖。

第8A圖係本發明於模型設置第二粗糙元之示意圖。

第8B圖係本發明於模型設置第三粗糙元之示意圖。

第9圖係本發明之模型及配置第一至第十粗糙元後，進行阻力擾動之實驗結果。

第10圖係本發明之模型及配置第一至第十粗糙元後，進行阻力量測之實驗結果。

第11圖係本發明之模型及配置第三粗糙元後之阻力比較圖。

關於吾等發明人之技術手段，茲舉數種較佳實施例配合圖式於下文進行詳細說明，俾供鈞上深入了解並認同本發明。

請先參閱第1圖所示，本發明係提供一種基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其步驟包含：

S001：因應所需之運動而界定一運動姿勢，其運動姿勢係可依據運動比賽之規範，或於進行該運動時之特定或常用之姿態而予以界定，並對應設置一模型1，於本實施例中，係以自行車競速為例，故係以自行車競速中常用之運動姿勢，且該運動姿勢係符合國際自由車聯盟(Union Cycliste Internationale,UCI)之規定，而呈一雙手握住自行車握把，而頭部及軀幹向前俯臥，使背部上端盡可能平行，且雙目仍可觀及前方之姿態，而雙腿則係以可對應踩踏於自行車踏板為目的，進而略呈如第2圖所示之運動姿勢，並可對應設置該模型1，而就模型1而言，在一實施例中，其模型1係可為一實體或為電腦模擬之虛擬模型1；於本實施例中，為利於流場之分析，以及量測減阻之效果，故係使用3D印表機予以印製材料為高韌性聚乳酸(High-Impact Polylactic Acid,HPLA)之模型1，而由於模型1體積龐大，故在一實施例中係可分塊列印，並於列印時預留插孔，藉可予以透過插銷或黏合方式拼接成型，惟其僅係舉例說明，並不以此作為限定。

S002：定義一流場，並將該模型1置於該流場內，藉以如第3圖及第4圖所示，使流場之流體於該模型1形成至少一流場分離線S；而在一實施例中，若模型1係為實體，則流場係可為提供空氣流體之風洞，或為水流體之水槽，而在其他實施例中，亦可透過電腦模擬之流場，以模擬其流過虛擬模型1之情形；

S003：偵測該模型1上所形成所述流場分離線S之位置；在一實施例中，若為電腦進行模擬，則可予以經電腦運算求得流場分離線S之，而若模型1為實體，則可透過偵測器等方式予以求得流場分離線S，舉例而言，係可透過於模型1建置時，欲先設計壓力孔位，並可於其安裝壓力管，並連接至壓力轉換器，藉以進行表面壓力量測，惟其亦僅舉例說明，並不以此作為限定；而流場分離線S之位置，將係如第3、4圖所示，位於兩肩、上手臂、腰部及大腿處。

S004：承前所述，即可於該模型1上之所述流場分離線S之位置處分別界定一減阻區塊2；而可知悉者，由於流動分離現象將使模型1於流場分離線S相對流場之後方形成較大之尾流區，使形成極大之阻力，故較佳者，係將所述減阻區塊2係位於形成所述流場分離線S之前，且近所述流場分離線S的區塊，在一具體之實施例中，如第5圖及第6圖所示者，減阻區塊2係可設定於離所述流場分離線S前方(即上游位置)約3公分至5公分之處，並盡可能地與所述流場分離線S平行，或可依需求而具有一定傾角。

S005：設置一對應於該模型1之服裝，並於所述減阻區塊2處分別設置一粗糙元，而藉由粗糙元之設置，將可改變服裝表面之粗糙度，藉以於穿著該服裝並於該運動姿勢下，可因應流場而產生阻力驟降之現象，促使層流邊界層轉換紊流邊界層，以延後分離流線，進而減少尾流區的大小，以達致減阻之目的，藉可於運動中降低阻力者。

在一具體之實施例中，所述粗糙元係可為單一或複數具粗糙度之粗糙體排列形成，且所述粗糙體之粗糙度係大於該服裝者；而所述粗糙體係可依需求而排列形成單一長條狀、複數長條狀、非鏤空幾何圖形、鏤空之幾何圖形或其組合者；而如第7A圖至第7J圖所示，其係本實施例中所設置之第一粗糙元3A至第十粗糙元3J，以藉由前述之排列組合而形成者；而在一實施例中，所述粗糙體係矽膠製成，並可透過貼設、織設、嵌設或直接成型於該服裝，惟其亦僅係舉例說明，並不以此作為限定；其中，第七粗糙元3G之圖案設計，係可非如前述與所述流場分離線S平行，而係具有約10度之夾角；而其餘之粗糙元係可如前述者與所述流場分離線S平行，在一實施例中，亦可依配置位置而與流場之方向垂直，惟前述者亦僅係舉例說明，其形狀、配置形式及配置位置皆不予以限定之。

進一步而言，為利於實驗及標示呈現於模型1之流場分離線S，故在一較佳之實施例中，係可以循環式水槽為流場，並將模型1縮尺予以進行油膜實驗，其步驟可更進一步包含：

S006：將標示體4佈設於該模型1；在一實施例中，其可如前述者，將模型1可為縮小之尺寸(如：五分之一)，而標示體4可為水彩顏料，並予以塗佈於該模型1表面。

S007：如前述者，將該模型1置於流場內，該流場係可為循環式水槽，故可知悉者，流體即為流動之水流，故模型1表面會受流體剪應力影響而將顏料帶走，故流場將使所述標示體4於該模型1形成移除區域及殘留區域，此時，即可依據流動分離現象之原理，而予以界定該移除區域及該殘留區域之交界處為所述流場分離線S，並如前述者，為避免流動分離現象之產生，故所述減阻區塊2係位於該移除區域，並距所述流場分離線S約3至5公分距離，且盡可能平行流場分離線S之區塊者。

藉此，服裝經配置前述之粗糙元後，係概如第8A圖及第8B圖所示者，其係以配置第二粗糙元3B及第三粗糙元3C為例；而所建置之模型1，與未配置粗糙元及分別於模型1之兩肩、上手臂、腰部及大腿配置第一粗糙元3A至第十粗糙元3J後，透過內政部建築研究所之環境風洞分別進行其阻力測試，並可如前所述者，配置壓力管及壓力轉換器，藉以進行壓力及阻力之量測，其量測方式係屬習知技術，故在此不予贅述；而於一般騎乘自行車時之時速約8.8~19.4m/s，本發明進行實驗之風速分別為9、14、16、19與21m/s，其阻力擾動之結果如第9圖所示，圖中之O表示未配置粗糙元之模型1，由圖中所示，可見阻力係數擾動隨之降低並不超過6.5×10^-4，擾動係數小於1%，故可證明其實驗量測具準確度；而阻力係數之測試結果如第10圖所示者，可見於配置粗糙元之情形下，其阻力係數係低於未配置粗糙元，並且於Re

5×105~9×10⁵之範圍下，第三粗糙元3C之阻力係數最低，為最有效的減阻之表面粗糙元，並如第11圖所示，於Re

7.9×10⁵ 時有6.7%之減阻效果；而第八粗糙元3H與第十粗糙元3J則於低速下(Re

3.7×10⁵)具有較佳之效果。

由前述者，可證將粗糙元配置於所述流場分離線S之前(即上游處)，確實可達致流場減阻之功效，藉可降低於運動時之阻力，以利於取得較佳之競賽結果；是以，本發明之服裝對於粗糙元之設置，並不以前述之減阻實驗步驟後予以配置為限，而係可基於前述者，透過特定運動姿勢下之流場內所形成之所述流場分離線S處予以配置粗糙元，即可藉以達致減阻之效果者。

綜上所述，本發明所揭露之技術手段確能有效解決習知等問題，並達致預期之目的與功效，且申請前未見諸於刊物、未曾公開使用且具長遠進步性，誠屬專利法所稱之發明無誤，爰依法提出申請，懇祈鈞上惠予詳審並賜准發明專利，至感德馨。

惟以上所述者，僅為本發明之數種較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

S001~S005:步驟

Claims

一種基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其步驟包含：界定一騎乘自行車之運動姿勢，並藉以設置一模型；定義一流場，並將該模型置於該流場內，使流場之流體於該模型之一肩部位置、一手臂位置、一腰部位置及一腳部位置分別形成至少一流場分離線；偵測該模型上所形成所述流場分離線之位置；於該模型上之所述流場分離線之位置處分別界定一減阻區塊；以及設置一對應於該模型之服裝，並於所述減阻區塊處分別設置一粗糙元。
如請求項1所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其中，所述粗糙元為單一或複數具粗糙度之粗糙體排列形成，且所述粗糙體之粗糙度係大於該服裝者。
如請求項2所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其中，所述粗糙體係排列形成單一長條狀、複數長條狀、非鏤空幾何圖形、鏤空之幾何圖形或其組合者。
如請求項2所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其中，所述粗糙體係貼設、織設、嵌設或直接成型於該服裝者。
如請求項2所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其中，所述粗糙體係矽膠製成者。
如請求項1至請求項5中任一項所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其中，所述減阻區塊係位於形成所述流場分離線之前，且近所述流場分離線的區塊。
如請求項1至請求項5中任一項所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其步驟更包含：將標示體佈設於該模型；將該模型置於流場內，進而透過該流場使所述標示體於該模型形成移除區域及殘留區域；以及界定該移除區域及該殘留區域之交界處為所述流場分離線。
如請求項7所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法，其中，所述減阻區塊係位於該移除區域近所述流場分離線之區塊者。
一種基於自行車運動流場減阻之服裝，其係基於如請求項1至請求項8中任一項所述之基於自行車運動流場減阻之服裝粗糙元配置方法所界定減阻區塊處，分別設置一粗糙元者。
一種基於自行車運動流場減阻之服裝，其包含：一服裝，其界定有於一騎乘自行車之運動姿勢下，經一流場而對應於一肩部位置、一手臂位置、一腰部位置及一腳部位置分別形成至少一流場分離線，並於所述流場分離線處分別定義有至少一減阻區塊；以及至少一粗糙元，其係分別對應設置於所述減阻區塊。
如請求項10所述之基於自行車運動流場減阻之服裝，其中，所述粗糙元為單一或複數具粗糙度之粗糙體排列形成，且所述粗糙體之粗糙度係大於該服裝者。
如請求項11所述之基於自行車運動流場減阻之服裝，其中，所述粗糙體係排列形成單一長條狀、複數長條狀、非鏤空幾何圖形、鏤空之幾何圖形或其組合者。
如請求項11所述之基於自行車運動流場減阻之服裝，其中，所述粗糙體係貼設、織設、嵌設或直接成型於該服裝者。
如請求項11所述之基於自行車運動流場減阻之服裝，其中，所述粗糙體係矽膠製成者。
如請求項10至請求項14中任一項所述之基於自行車運動流場減阻之服裝，其中，所述減阻區塊係位於形成所述流場分離線之前，且近所述流場分離線的區塊。