Simulazione CFD dei fenomeni aerodinamici di un gruppo di ciclisti

Modellazione CFD delle interazioni aerodinamiche in un gruppo di corridori

La prestazione dei ciclisti in un gruppo è ampiamente influenzata dalla dinamica dei fluidi che si sviluppa attorno a loro.

In gara, i ciclisti formano gruppi compatti per sfruttare l'effetto scia e ridurre la resistenza dell'aria, il che può migliorare significativamente la loro efficienza energetica e le loro 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.

La comprensione della dinamica dei fluidi attorno 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 situati in testa al gruppo subiscono generalmente una maggiore resistenza dell'aria, mentre quelli posti dietro beneficiano di una riduzione significativa di tale resistenza.

Ottimizzando le formazioni del gruppo e sfruttando le strategie di gara basate sulla dinamica dei fluidi, le squadre possono massimizzare l'efficienza collettiva. Questo è particolarmente rilevante nelle corse a tappe, nelle cronometro a squadre e nelle corse di criterium, dove la gestione dell'energia è essenziale per mantenere prestazioni elevate su lunghe distanze.

Tuttavia, nonostante la sua importanza, la dinamica dei fluidi attorno ai gruppi è complessa e difficile da studiare empiricamente a causa delle numerose variabili in gioco : la velocità, la direzione del vento, la posizione dei ciclisti e le interazioni aerodinamiche.

È qui che le simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics) diventano uno strumento prezioso. Permettono di modellare e di analizzare questi fenomeni con una precisione e una flessibilità maggiori, senza i vincoli logistici e i costi delle prove in galleria del vento o sul campo.

L'obiettivo di questo studio è sfruttare le simulazioni CFD per approfondire la nostra comprensione della dinamica dei fluidi all'interno di un gruppo. Analizzando diverse configurazioni e posizioni dei ciclisti, miriamo a identificare le formazioni ottimali per minimizzare la resistenza aerodinamica e massimizzare l'efficienza energetica.

Metodologia della simulazione CFD per l'analisi di un gruppo

La simulazione CFD

Per studiare la dinamica dei fluidi attorno a un gruppo di ciclisti, abbiamo utilizzato la simulazione CFD, una tecnica potente che permette di modellare i flussi d'aria. Offre il vantaggio di poter esplorare facilmente diverse configurazioni e di quantificare le forze aerodinamiche esercitate su ciascun ciclista individualmente. Confrontando queste forze, possiamo identificare le posizioni e le formazioni più efficaci in termini di riduzione della resistenza.

La simulazione CFD è un metodo potente, ma i suoi limiti in termini di tempo di calcolo e di risorse informatiche possono essere vincolanti : qui, una settimana di calcolo al massimo e l'assenza di un data center. Per ovviare a queste limitazioni, sono stati necessari compromessi come l'ottimizzazione dei parametri di simulazione, ad esempio l'uso di una mesh adattiva, per trovare l'equilibrio tra precisione ed efficienza.

Parametri degli studi CFD

Per garantire un confronto preciso delle forze aerodinamiche all'interno e all'esterno del gruppo, abbiamo standardizzato la geometria di ogni ciclista. Utilizzando modelli identici, abbiamo eliminato le variabili legate alle differenze individuali e focalizzato l'analisi sull'impatto delle posizioni e delle formazioni all'interno del gruppo.

Questa uniformità geometrica garantisce che le variazioni osservate nelle forze aerodinamiche siano esclusivamente dovute alle interazioni tra i ciclisti e alla loro disposizione relativa, offrendo risultati più affidabili e pertinenti.

Per realizzare la simulazione è stato utilizzato un modello ad alta fedeltà : il Wall-Modeled Large Eddy Simulation (WMLES). Questo modello cattura i dettagli dei flussi turbolenti adattando automaticamente la risoluzione in prossimità delle pareti, tenendo conto dei gradienti di pressione responsabili della separazione dei flussi. Il WMLES utilizza un modello di viscosità chiamato Wall-Adapting Local Eddy (WALE), che assicura una viscosità locale coerente e un comportamento preciso vicino alle pareti, e permette di raffinare dinamicamente la scia man mano che il flusso si sviluppa.

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 di analizzare le variazioni delle forze aerodinamiche in condizioni vicine alla realtà, contrariamente a formazioni rigide e allineate, meno rappresentative delle dinamiche di gara.

Misura delle forze di resistenza

Poste in gioco

La misura delle forze di resistenza è cruciale nel ciclismo : permette di quantificare la resistenza dell'aria che ogni ciclista deve superare. Questa resistenza aerodinamica è uno dei principali fattori che limitano la prestazione, soprattutto alle alte velocità. Ridurre la resistenza significa un risparmio energetico significativo, che consente di mantenere velocità più elevate con minore sforzo.

Resistenza aerodinamica : come l'aria influenza la prestazione ?

La resistenza aerodinamica, ovvero la resistenza dell'aria, deriva dall'interazione tra il ciclista (e la sua bicicletta) e l'aria in movimento. Dipende dalla densità dell'aria ambiente, dalla velocità del ciclista, dalla superficie frontale esposta e dal coefficiente di resistenza (Cd o Cx) che riflette l'aerodinamicità complessiva della configurazione ciclista-bicicletta.

La resistenza è proporzionale al prodotto della densità dell'aria per il quadrato della velocità e per la superficie frontale. Il ciclista deve letteralmente « spingere » tutto il volume d'aria che attraversa : ridurre la densità dell'aria o la superficie frontale diminuisce quindi significativamente questa resistenza.

Un ciclista che vuole ridurre la propria resistenza può diminuire la propria area frontale adottando una posizione più sdraiata, strategia comune nelle cronometro. Il coefficiente di resistenza dipende non solo dalla forma aerodinamica, ma anche dai dettagli del flusso dell'aria attorno al corridore.

Le ricerche mostrano che il movimento del ciclista crea una sovrapressione dell'aria davanti a lui e una depressione dietro di lui, entrambe contribuiscono alla resistenza. Inoltre, il ciclista trascina aria in movimento per diversi metri nella sua scia, complicando le interazioni per i corridori a valle.

Per i ciclisti in gruppo, l'effetto della resistenza è modulato dalla loro posizione relativa. Con vento frontale, procedere in fila indiana riduce la resistenza dei corridori successivi grazie alla riduzione delle sovrapressioni e depressioni ; l'effetto è più marcato per i ciclisti situati dietro e dipende dalla distanza tra le ruote e dalla posizione aerodinamica adottata.

Distribuzione delle velocità e della pressione tramite simulazione CFD

La simulazione permette di visualizzare i piani di distribuzione delle velocità attorno ai ciclisti. Poiché la forza di resistenza è proporzionale al quadrato della velocità, si individuano già le zone del gruppo più favorevoli.

La velocità apparente dell'aria è di 15 m/s (ossia 54 km/h) per il ciclista in testa al gruppo : subisce quindi più resistenza dei corridori all'interno del gruppo, dove le velocità effettive sono inferiori. Le due figure qui sotto lo visualizzano in vista dall'alto.

I ciclisti in testa incontrano velocità d'aria più elevate, mentre i corridori più arretrati e all'interno del gruppo incontrano velocità inferiori. I corridori di testa svolgono il ruolo di frangivento, proteggendo quelli situati dietro. Poiché la forza di resistenza è proporzionale al quadrato della velocità, la resistenza sui corridori di testa è molto maggiore di quella subita in coda al gruppo.

Si dice anche che i corridori del cuore del gruppo beneficiano della scia generata da quelli di testa. Inserendosi nella loro scia, sfruttano la depressione situata dietro di essi, riducendo la sovrapressione che generano e quindi la loro resistenza. Questo effetto scia consente loro di mantenere velocità elevate con minore sforzo.

In pratica, la CFD permette di ottimizzare la posizione dei ciclisti, di scegliere attrezzature più aerodinamiche e di sviluppare strategie di gara. Nelle cronometro, i corridori regolano la loro posizione per massimizzare l'aerodinamicità, spesso adottando una postura più bassa e allungata per minimizzare la superficie frontale. Utilizzano biciclette con telai profilati e ruote lenticolari, e testano in galleria del vento caschi aerodinamici e body aderenti.

La CFD presenta un vantaggio rispetto alle prove in galleria del vento : un risparmio di tempo e denaro. Grazie a questi aggiustamenti basati sui dati di simulazione, i ciclisti guadagnano secondi preziosi ; le squadre formano anche gruppi strategici che massimizzano l'effetto scia e riducono la resistenza collettiva.

Misura della resistenza sulla simulazione CFD

Abbiamo valutato le forze di resistenza su ogni ciclista e identificato le posizioni più favorevoli. La mappa qui sotto mostra la percentuale di resistenza percepita da ogni corridore, confrontata con quella del ciclista in testa (resistenza massima : 100 %).

I ciclisti situati in posizioni favorevoli all'interno del gruppo beneficiano di percentuali di resistenza più basse. I corridori del cuore del gruppo compiono la metà dello sforzo rispetto a quelli situati in testa.

La strategia di posizionamento per minimizzare la resistenza

In generale, tutti i ciclisti subiscono una resistenza minore rispetto al corridore di testa. Più un ciclista è posizionato all'indietro e al centro del gruppo, meno è esposto. La zona delimitata dal cerchio rosso è la più vantaggiosa a inizio gara : i corridori vi percepiscono solo il 10 % al 20 % della resistenza del leader, pur restando vicini alla testa, ovvero un notevole risparmio di energia.

Tuttavia, la scelta della posizione non si basa unicamente sull'energia : più un corridore è in coda al gruppo, più è vulnerabile agli effetti a fisarmonica provocati dalle accelerazioni in testa e alle eventuali cadute. È per questo che i leader del Tour de France preferiscono restare nelle prime file, circondati dai loro gregari, per reagire rapidamente pur beneficiando di una riduzione della resistenza ancora significativa.

Campo di vorticità

La vorticità è una misura della rotazione di un fluido attorno a un asse locale. Quando un oggetto, come un ciclista, si muove nell'aria, perturba il flusso : questa perturbazione si traduce nella formazione di vortici, zone in cui la velocità e la direzione del fluido sono modificate, che generano vorticità.

La visualizzazione del campo volumetrico di vorticità mostra che sono le biciclette in testa al gruppo a perturbare maggiormente il flusso, da cui una resistenza più elevata su queste ultime.

Il fenomeno del ventaglio nel ciclismo

Formazione dei ventagli : una strategia collaborativa contro il vento

Per proteggersi dal vento laterale, una strategia efficace consiste nel formare dei ventagli. Un corridore si posiziona leggermente arretrato e di lato rispetto a chi compie lo sforzo, riparandosi così dal vento. Più il vento è forte e laterale, più il corridore si sposta lateralmente per beneficiare di questa protezione.

Quando un corridore si ritrova isolato ed esposto al vento, si dice che è « nella bordura » o che è stato « tagliato fuori dal ventaglio ». Per lui, lo sforzo diventa notevolmente più difficile, spesso al punto di non riuscire più a seguire il gruppo.

La chiave di questa strategia è formare dei ventagli. Il corridore in testa si posiziona dal lato da cui proviene il vento per proteggere quelli che lo seguono. Dopo il suo cambio, allenta lo sforzo, lasciando che i suoi compagni beneficino del suo riparo mentre arretra verso la coda del gruppo prima di riprendere la sua posizione al riparo dal vento. Questo processo assicura una rotazione continua dei cambi e una protezione ottimale.

Sopravvivere nella bordura : ripararsi dal vento in gruppo

Esistono due tipi di ventagli : semplice e doppio. Il ventaglio semplice, organizzato in un'unica fila, è utilizzato per piccoli gruppi (fughe di meno di otto corridori, cronometro a squadre). Il ventaglio doppio, più efficace, si compone di due file : una discendente, dal lato del vento, composta dai corridori che hanno appena dato il cambio, e una montante, riparata, che si prepara a dare il cambio. Questa formazione assicura una protezione continua per tutti i corridori.

I corridori isolati : la chiave del distacco

Il ventaglio doppio richiede almeno una decina di corridori. In competizione, una squadra può restringere il ventaglio piazzando un corridore forte vicino al bordo della strada, dal lato opposto al vento, riducendo il numero di corridori protetti e aumentando la difficoltà per gli avversari. Quando il vento laterale è intenso, questa tecnica può frammentare il gruppo creando borduri decisivi : i corridori che non riescono a inserirsi si ritrovano esposti al vento e subiscono un drastico aumento della resistenza, dovuto alla rottura del flusso d'aria liscio e continuo.

I corridori riparati beneficiano di una riduzione significativa della resistenza grazie all'effetto scia e alla protezione laterale dei loro compagni. I corridori isolati, invece, devono compiere uno sforzo ben più importante, che può portare al loro distacco e alla frammentazione del gruppo in più parti. Questo aspetto aerodinamico ha potuto far perdere dei Tour de France a dei leader.

Studio CFD di ciclisti a ventaglio

EOLIOS ha studiato la configurazione a ventaglio doppio di 8 ciclisti in presenza di un vento laterale, al fine di confermare tramite la CFD l'efficacia di questa formazione. Il modello 3D dei ciclisti è identico al precedente.

La distribuzione delle velocità dell'aria mostra che i ciclisti protetti incontrano velocità inferiori ; come nel gruppo classico, subiscono una resistenza ben minore. Il campo di vorticità conferma che i corridori di testa perturbano maggiormente il flusso.

Ottimizzazione delle prestazioni : l'impatto della CFD nel ciclismo di competizione

Questo studio di simulazione CFD applicato a un gruppo costituisce un'iniziativa volontaria di EOLIOS per illustrare i progressi tecnologici e le applicazioni concrete della CFD nel ciclismo di competizione. Analizzando la resistenza aerodinamica e le posizioni strategiche dei corridori (con, ad esempio, i fenomeni di ventaglio), abbiamo mostrato come questi strumenti ottimizzino le prestazioni in eventi come il Tour de France.

Con questa iniziativa, EOLIOS desidera condividere con il grande pubblico e gli appassionati di ciclismo le possibilità offerte dalla simulazione CFD, e incoraggiare una comprensione più approfondita dei fattori scientifici e tecnologici che influenzano questo sport.

EOLIOS auspica che questo studio ispiri nuove ricerche e applicazioni della CFD in vari ambiti sportivi e oltre.