Simulazione CFD dei fenomeni aerodinamici di un gruppo di ciclisti
L'impatto delle variazioni della posizione del ciclista sulle interazioni aerodinamiche nel gruppo
Le prestazioni dei ciclisti in un gruppo sono largamente influenzate dalle dinamiche dei fluidi che si sviluppano intorno a loro.
Nelle corse, i ciclisti formano gruppi compatti per sfruttare l’effetto di risucchio e ridurre la resistenza dell’aria, il che può migliorare significativamente l’efficienza energetica e le prestazioni complessive.
Questo effetto è particolarmente cruciale nelle competizioni di alto livello, dove il minimo risparmio di energia può fare la differenza tra la vittoria e la sconfitta.
I nostri progetti per i Data Centre: Aria e Vento
Modellazione CFD delle interazioni aerodinamiche in un gruppo di corridori
Le prestazioni dei ciclisti in un gruppo sono largamente influenzate dalla dinamica dei fluidi che si sviluppano intorno a loro.
Nelle corse, i ciclisti formano gruppi compatti per sfruttare l’effetto di aspirazione e ridurre la resistenza dell’aria, migliorando in modo significativo l’efficienza energetica e le prestazioni complessive.
Questo effetto è particolarmente importante nelle competizioni di alto livello, dove il minimo risparmio energetico può fare la differenza tra la vittoria e la sconfitta.
La comprensione della dinamica dei fluidi intorno a un gruppo di ciclisti ha importanti implicazioni pratiche.
Le formazioni del gruppo e le posizioni relative dei ciclisti influenzano direttamente la distribuzione della resistenza aerodinamica, incidendo così sul dispendio energetico individuale.
Ad esempio, i ciclisti che si trovano nella parte anteriore del gruppo generalmente sperimentano una maggiore resistenza all’aria, mentre quelli che si trovano dietro beneficiano di una riduzione significativa di questa resistenza.
Ottimizzando le formazioni del gruppo e sfruttando le strategie di gara basate sulla fluidodinamica, le squadre di ciclismo possono massimizzare l’efficienza collettiva.
Ciò è particolarmente importante nelle corse a tappe, nelle prove a cronometro a squadre e nelle gare di criterium, dove la gestione dell’energia è essenziale per mantenere alte le prestazioni sulle lunghe distanze.
Tuttavia, nonostante la sua importanza, la dinamica dei fluidi intorno ai pelotoni da ciclismo è complessa e difficile da studiare empiricamente a causa delle numerose variabili coinvolte, come la velocità del vento, la direzione del vento, la posizione del ciclista e le interazioni aerodinamiche.
È qui che le simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics) diventano uno strumento prezioso.
Esse consentono di modellare eanalizzare questi fenomeni con maggiore precisione e flessibilità, senza i vincoli logistici e i costi della galleria del vento o dei test sul campo.
L’obiettivo di questo studio è sfruttare le simulazioni CFD per approfondire la comprensione della dinamica dei fluidi all’interno di un gruppo di ciclisti.
Analizzando diverse configurazioni e posizioni dei ciclisti, ci proponiamo di identificare le formazioni ottimali per ridurre al minimo la resistenza aerodinamica e massimizzare l’efficienza energetica.
Metodologia di simulazione CFD per l'analisi aerodinamica di un gruppo di ciclisti
Simulazione CFD
Per studiare la dinamica dei fluidi intorno a un gruppo di ciclisti, abbiamo utilizzato la simulazione CFD(Computational Fluid Dynamics), una tecnica potente per modellare i flussi d’aria in modo accurato e dettagliato.
La CFD è un metodo numerico per analizzare i movimenti dei fluidi risolvendo equazioni differenziali parziali.
Offre il vantaggio di poter esplorare facilmente varie configurazioni e di quantificare le forze aerodinamiche esercitate su ogni singolo ciclista.
Confrontando queste forze, possiamo identificare le posizioni e le formazioni più efficaci in termini di riduzione della resistenza aerodinamica.
La simulazione CFD è un metodo potente per studiare il flusso d’aria intorno a un gruppo di ciclisti, offrendo la possibilità dianalizzare con precisione le forze aerodinamiche.
Tuttavia, le sue limitazioni in termini di tempo di calcolo e risorse di calcolo possono essere restrittive, in particolare con una settimana massima di calcolo e l’assenza di un centro dati.
Per superare queste limitazioni, sono stati necessari dei compromessi come l’ottimizzazione dei parametri di simulazione, come l’uso di una mesh adattiva (descritta in dettaglio alla fine dell’articolo), per trovare un equilibrio tra accuratezza ed efficienza nei nostri studi.
Parametri dello studio CFD
Per garantire un confronto accurato degli effetti delle forze aerodinamiche all’interno e all’esterno del gruppo, abbiamo standardizzato la geometria di ogni ciclista nel nostro studio.
Utilizzando modelli identici per ogni ciclista, abbiamo eliminato le variabili legate alle differenze individuali, permettendoci di concentrarci esclusivamente sull’impatto delle posizioni e delle formazioni all’interno del gruppo.
Questa uniformità geometrica garantisce che le variazioni osservate nelle forze aerodinamiche siano dovute esclusivamente alle interazioni tra i ciclisti e allaloro posizione relativa, offrendo così risultati più affidabili e rilevanti per lo studio delle posizioni favorevoli alla riduzione della resistenza.
Per effettuare la simulazione del tuo gruppo di ciclistiun modello di simulazione avanzato, il Wall-Modeled Large Eddy Simulation (simulazione di grandi correnti d’aria) (WMLES), è stato utilizzato.
Questo alta fedeltà permette di catturare i dettagli dei flussi turbolenti adattando automaticamente la risoluzione in prossimità delle paretipareti, tenendo conto dei gradienti di pressione responsabili della separazione del flussoche sono fondamentali per analisi aerodinamiche.
Le WMLES utilizza un modello di viscosità chiamato Wall-Adapting Local Eddy (WALE), che garantisce una viscosità locale coerente e un comportamento preciso comportamento preciso in prossimità delle pareti.
Cette méthode permet d’ perfezionare dinamicamente la scia mentre il flusso si sviluppa, garantendo una modellazione accurata e stabile. una modellazione accurata e stabile di complessi fenomeni aerodinamici che circondano i ciclisti.
Diversi studi hanno già esaminato la dinamica dei fluidi intorno a un gruppo di ciclisti, come il Peloton Project del professor Bert Blocken della Eindhoven University of Technology.
Tuttavia, questi studi spesso trascurano la natura non uniforme della disposizione dei ciclisti all’interno del gruppo.
In altre parole, i ciclisti non sono disposti in modo regolare o cartesiano, allineati tra loro.
Di conseguenza, è necessario studiare una configurazione più realistica che tenga conto di questa variabilità nella disposizione dei ciclisti.
La configurazione studiata è quella di un gruppo di 100 ciclisti disposti in modo da simulare una gara reale su una strada larga.
Questo approccio permette dianalizzare le variazioni delle forze aerodinamiche in condizioni più vicine alla realtà, a differenza delle formazioni rigide e allineate, che sarebbero meno rappresentative delle dinamiche di gara.
Misurare le forze di trascinamento
Problemi
La misurazione delle forze di resistenza aerodinamica è fondamentale nel mondo del ciclismo perché ci permette di quantificare la resistenza dell’aria che ogni ciclista deve superare mentre pedala.
Questa resistenza aerodinamica è uno dei principali fattori che limitano le prestazioni, soprattutto alle alte velocità.
Nelle corse, la riduzione della resistenza aerodinamica si traduce in un notevole risparmio energetico, consentendo ai ciclisti di mantenere velocità più elevate con uno sforzo minore, il che è essenziale per ottenere prestazioni ottimali sulle lunghe distanze.
Resistenza aerodinamica: come influisce l'aria sulle prestazioni?
La resistenza aerodinamica, o resistenza dell’aria, è una forza determinata da diversi fattori e ha un’influenza significativa sulle prestazioni di un ciclista.
Questa forza deriva dall’interazione tra il ciclista (e la sua bicicletta) e l’aria che si muove intorno a lui.
Dipende dalla densità dell’aria ambientale, dalla velocità del ciclista, dall’area frontale esposta al flusso d’aria e dal coefficiente di resistenza aerodinamica (Cd o Cx), che riflette l’aerodinamica complessiva della configurazione ciclista-bici.
Da un punto di vista quantitativo, l’espressione della resistenza aerodinamica mostra che essa è proporzionale al prodotto della densità dell’aria moltiplicata per il quadrato della velocità del ciclista e per l’area frontale del ciclista.
In altre parole, il ciclista deve letteralmente “spingere” e mettere in movimento l’intero volume d’aria che attraversa.
Di conseguenza, ridurre la densità dell’aria o l’area frontale può ridurre significativamente la resistenza aerodinamica.
Un ciclista che vuole ridurre la resistenza aerodinamica può ridurre la sua area frontale adottando una posizione più reclinata sulla bicicletta, una strategia comunemente utilizzata dai professionisti nelle gare a tempo.
Il coefficiente di resistenza aerodinamica non dipendesolo dalla forma aerodinamica del ciclista e della sua bicicletta, ma anche dai dettagli del flusso d’aria che li circonda.
Le ricerche dimostrano che il movimento del ciclista crea una sovrappressione d’aria davanti a lui e una depressione dietro di lui, entrambi fenomeni che contribuiscono alla resistenza aerodinamica.
Inoltre, il ciclista trascina l’aria in movimento per diversi metri nella sua scia, rendendo le interazioni aerodinamiche ancora più complesse per i ciclisti a valle.
Per i ciclisti di un gruppo, l’effetto della resistenza aerodinamica è modulato dalla loro posizione relativa nel gruppo.
In caso di vento contrario, ad esempio, pedalare in fila indiana riduce la resistenza aerodinamica dei ciclisti che seguono grazie alla riduzione della sovrappressione e della sottopressione.
L’effetto è più pronunciato per i ciclisti che seguono e dipende anche dalla distanza tra le ruote e dalla posizione aerodinamica adottata.
Piano verticale di distribuzione della velocità intorno al gruppo
Distribuzione della velocità e della pressione intorno ai ciclisti grazie alla simulazione CFD
La simulazione mostra i piani di distribuzione della velocità intorno ai ciclisti.
Poiché la forza di resistenza aerodinamica è proporzionale al quadrato della velocità, è già possibile individuare le aree più favorevoli del gruppo.
La velocità apparente dell’aria è di 15 m/s (cioè 54 km/h) per il ciclista in testa al gruppo, quindi sentirà una maggiore resistenza rispetto agli altri ciclisti del gruppo.
In realtà, possiamo notare che all’interno del gruppo le velocità effettive sono più basse, riducendo così la resistenza dei ciclisti del gruppo.
Le due figure seguenti danno un’idea più precisa di questo aspetto, con le velocità dell’aria e le distribuzioni di pressione viste dall’alto del gruppo.
La figura precedente mostra che i ciclisti in testa al gruppo sperimentano velocità dell’aria più elevate.
Al contrario, i ciclisti più indietro e all’interno del gruppo sperimentano velocità dell’aria più basse.
In effetti, i ciclisti in testa agiscono da frangivento, proteggendo i ciclisti in coda al gruppo e riducendo la resistenza dell’aria che incontrano.
Questo ha un impatto diretto sulla forza di trascinamento percepita da ogni singolo ciclista.
Poiché questa forza è proporzionale al quadrato della velocità, possiamo supporre che la resistenza all’avanzamento avvertita dai ciclisti in testa al gruppo sarà maggiore di quella avvertita dai ciclisti in coda.
Si dice anche che i ciclisti nel cuore del gruppo beneficino dell’aspirazione generata dai ciclisti in testa al gruppo.
Questo si può vedere nella mappa della pressione qui sotto. Seguendo la scia dei ciclisti in testa, i ciclisti del gruppo beneficiano della bassa pressione alle loro spalle, che riduce la pressione in eccesso che essi stessi creano.
Di conseguenza, la resistenza aerodinamica si riduce notevolmente per questi ciclisti. Questo effetto di risucchio permette ai ciclisti di mantenere velocità elevate con meno sforzo, sfruttando la minore resistenza dell’aria.
In pratica, la simulazione CFD può essere utilizzata perottimizzare la posizione dei ciclisti, scegliere attrezzature più aerodinamiche e sviluppare strategie di gara efficaci.
Nelle tecniche a cronometro, ad esempio, i ciclisti possono trarre vantaggio da queste simulazioni regolando la loro posizione sulla bicicletta per massimizzare l’aerodinamica.
La simulazione CFD aiuta a determinare la posizione ottimale, spesso adottando una postura più bassa e allungata per ridurre al minimo l’area frontale esposta al vento.
Inoltre, i ciclisti possono utilizzare biciclette appositamente progettate per le prove a tempo, con telai aerodinamici e ruote solide che riducono ulteriormente la resistenza aerodinamica.
Nella galleria del vento, i ciclisti testano diverse configurazioni di equipaggiamento, come caschi aerodinamici e tute aderenti, per scegliere quelle che offrono la minore resistenza all’aria.
La simulazione CFD ha un vantaggio rispetto ai test in galleria del vento: fa risparmiare tempo e denaro.
Grazie alle regolazioni basate sui dati della simulazione, i ciclisti possono risparmiare secondi preziosi, o addirittura minuti, sulle loro prestazioni complessive.
Le squadre di ciclismo utilizzano la simulazione e i dati della galleria del ventoanche per formare i pelotoni in modo strategico, massimizzando l’effetto di aspirazione e riducendo la resistenza collettiva.
Misurazione della resistenza aerodinamica nella simulazione CFD
Di seguito, abbiamo valutato le forze di resistenza di ciascun ciclista individualmente e quindi le posizioni più favorevoli nel gruppo.
La figura seguente riassume la percentuale di resistenza all’avanzamento percepita da un ciclista rispetto alla resistenza all’avanzamento percepita dal ciclista in testa al gruppo (che percepisce la resistenza massima associata al valore 100%).
In concreto, la mappa mostra la percentuale di resistenza all’aria percepita da ciascun ciclista del gruppo, calcolata in funzione della resistenza massima percepita dal ciclista in testa.
I ciclisti che si trovano in posizioni più favorevoli nel gruppo beneficeranno di percentuali di resistenza aerodinamica più basse, che indicano una riduzione significativa della resistenza all’aria grazie alla protezione offerta dagli altri ciclisti.
I ciclisti che si trovano nel cuore del gruppo devono esercitare uno sforzo dimezzato rispetto a quelli che si trovano in testa.
La strategia di posizionamento dei ciclisti per ridurre al minimo la resistenza aerodinamica
In generale, tutti i ciclisti del gruppo sentono meno resistenza rispetto al ciclista in testa.
Più un ciclista è indietro nel gruppo, minore è la resistenza aerodinamica.
Questa tendenza vale anche per i ciclisti al centro del gruppo, che sentono meno resistenza rispetto a quelli in periferia.
La figura precedente mostra che la zona delimitata dal cerchio rosso è la più vantaggiosa per un ciclista all’inizio della gara.
In questa zona, i ciclisti sentono solo il 10%-20% della resistenza aerodinamica subita dal leader, pur rimanendo vicini alla testa della corsa, con un notevole risparmio di energia all’inizio della gara.
Tuttavia, la scelta della posizione nel gruppo non si basa solo su considerazioni energetiche.
Più un ciclista è indietro nel gruppo, più è vulnerabile all’effetto fisarmonica causato dall’accelerazione in testa o a eventuali cadute.
Ecco perché i leader del Tour de France preferiscono stare nelle prime file, circondati dai loro compagni di squadra.
La riduzione della resistenza aerodinamica è comunque molto significativa, ma possono reagire più facilmente alle accelerazioni improvvise dei loro rivali.
Campo di vorticità
La vorticità è una misura della rotazione di un fluido attorno a un asse locale.
Quando un oggetto, come un ciclista su una bicicletta, si muove in un fluido come l’aria, disturba naturalmente il flusso del fluido.
Questa perturbazione porta alla formazione di vortici, aree in cui la velocità e la direzione del fluido sono alterate.
Questi vortici generano vorticità, una variabile che caratterizza l’intensità e la posizione di queste rotazioni.
La visualizzazione del campo di vorticità volumetrica qui sotto mostra che sono le moto nella parte anteriore del pacco a disturbare maggiormente il flusso, determinando una maggiore resistenza aerodinamica su di esse.
Il fenomeno dei bordi nel ciclismo
Formazione a ventaglio: una strategia collaborativa per contrastare il vento e rimanere in gara
Per proteggersi dal vento laterale, una strategia complessa ma efficace è quella di formare dei ventagli.
Un ciclista si posiziona leggermente dietro e di lato al ciclista che produce lo sforzo, riparandosi così dal vento.
Più il vento è forte e laterale, più il ciclista si sposterà lateralmente per beneficiare di questa protezione.
Quando un ciclista si trova isolato ed esposto al vento, si dice che è“in cordolo” o cheè stato “in cordolo”.
Per questo corridore, lo sforzo diventa molto più difficile, spesso al punto da non riuscire a tenere il passo del gruppo.
La chiave di questa strategia contro il vento è quella di formare ventagli.
Le coureur en tête se place du côté d’où provient le vent pour protéger ceux qui le suivent.
Par exemple, si le vent vient de gauche, le leader se positionne à A sinistra della strada.
Après avoir pris son staffettasi stacca, lasciando che i suoi compagni di squadra beneficino del suo riparo mentre scende verso il fondo del gruppo prima di riprendere la sua posizione dietro l’ultimo corridore, al riparo dal vento. al riparo dal vento.
Ce processus se répète, assurant une rotazione continua del relè e protezione ottimale contro il vento.
Sopravvivere al limite: la sottile arte di ripararsi dal vento in gruppo
Esistono due tipi di ventaglio: singolo e doppio.
Il ventaglio singolo, organizzato in un’unica fila, viene utilizzato per i piccoli gruppi, come una fuga di meno di otto corridori o una cronometro a squadre.
Il corridore in testa si allontana dopo la sua staffetta, rimane in contatto con la fila ascendente, aggira l’ultimo corridore e torna rapidamente al sicuro.
Il doppio ventaglio, invece, è più efficiente ed è composto da due linee: una a valle e una a monte.
La linea discendente, composta dai corridori che hanno dato il cambio, si posiziona sul lato di sopravvento, mentre la linea ascendente, riparata dalla linea discendente, si prepara a dare il cambio.
Questa formazione offre una protezione continua a tutti i corridori, che sono sempre protetti dalla linea di discesa o dal corridore che li precede.
I corridori isolati: la chiave per abbandonare il gruppo
La formazione a doppio ventaglio richiede la presenza di almeno dieci corridori.
In gara, una squadra può stringere il ventaglio posizionando un corridore forte vicino al bordo della strada, sul lato opposto al vento, riducendo così il numero di corridori protetti e aumentando le difficoltà per gli avversari.
Quando il vento laterale èintenso, questa tecnica può frammentare il gruppo, creando spigoli spettacolari e decisivi nella corsa.
I ciclisti che non riescono a inserirsi correttamente nei ventagli si trovano direttamente esposti al vento, subendo un drastico aumento della resistenza aerodinamica.
Questo aumento della resistenza aerodinamica è il risultato dell’interruzione del flusso d’aria regolare e continuo intorno ai ciclisti, creando turbolenze e aumentando la resistenza.
I corridori riparati nel ventaglio beneficiano di una significativa riduzione della resistenza aerodinamica grazie all’effetto scia e alla protezione laterale offerta dai compagni di squadra.
D’altro canto, i corridori isolati devono compiere uno sforzo molto maggiore per mantenere la loro velocità, il che può portarli a uscire dal gruppo.
Questo squilibrio nella distribuzione delle forze aerodinamiche può causare larottura del gruppo in diversi gruppi distinti, rendendo il fenomeno delle bordate non solo cruciale dal punto di vista tattico ma anche spettacolare.
Questo aspetto aerodinamico è stato responsabile della perdita di Tour de France da parte dei leader.
Studio CFD di ciclisti a ventaglio
Eolios ha studiato la configurazione a doppia ventola di 8 ciclisti quando compare un vento laterale durante una gara.
Lo scopo di questo studio è quello di utilizzare la CFD per confermare l’efficacia della configurazione a ventaglio in questo tipo di situazione.
Il modello 3D dei ciclisti è lo stesso di cui sopra e la configurazione studiata è mostrata nella figura seguente.
La figura seguente mostra la distribuzione delle velocità dell’aria intorno ai ciclisti.
Le velocità dell’aria all’altezza dei ciclisti protetti sono più basse.
Come nel caso del gruppo classico, i ciclisti protetti subiscono una resistenza aerodinamica molto minore.
Simulazione CFD dell'aerodinamica dei ciclisti a ventaglio
I calcoli delle forze di resistenza dimostrano che i 6 piloti protetti sentono in media il 30% della resistenza totale sentitada ciascuno dei due piloti in testa.
Questa riduzione del 70% della resistenza aerodinamica dimostra che il sistema a doppia ventola è efficace in condizioni di vento laterale.
Visualizzando il campo volumetrico di vorticità, possiamo notare che, come nel caso del classico peloton, i ciclisti in testa disturbano maggiormente il flusso d’aria e ne sono i più colpiti.
Campo volumetrico di vorticità intorno a ciclisti a ventaglio
Ottimizzazione delle prestazioni e aerodinamica: l'impatto della simulazione CFD nel ciclismo agonistico
Questo studio sulla simulazione CFD applicata a un gruppo di ciclisti è una mossa deliberata da parte diEOLIOS per illustrare i progressi tecnologici e le applicazioni pratiche della CFD nel campo del ciclismo agonistico.
Analizzando aspetti cruciali come la resistenza aerodinamica e le posizioni strategiche dei ciclisti (ad esempio, con i fenomeni di bordo), siamo stati in grado di dimostrare come questi strumenti possano ottimizzare le prestazioni e offrire vantaggi competitivi significativi durante eventi prestigiosi come il Tour de France.
Attraverso questa iniziativa, EOLIOS si propone non solo di condividere con il grande pubblico e gli appassionati di ciclismo le possibilità offerte dalla simulazione CFD, ma anche di incoraggiare una più profonda comprensione dei fattori scientifici e tecnologici che influenzano questo sport.
Mettendo a disposizione la nostra esperienza e le nostre innovazioni in questo campo, speriamo di contribuire alcontinuo miglioramento delle prestazioni degli atleti e all’avanzamento delle conoscenze nelsettore del ciclismo agonistico.
EOLIOS spera che questo studio possa ispirare ulteriori ricerche e applicazioni della CFD in vari campi sportivi e non solo.
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