Simulação CFD dos fenómenos aerodinâmicos de um pelotão de ciclistas
Impacto das variações da posição do ciclista nas interações aerodinâmicas no pelotão
O desempenho dos ciclistas num pelotão é largamente influenciado pela dinâmica de fluidos que se desenvolve à sua volta.
Nas corridas, os ciclistas formam grupos compactos para tirar partido doefeito de sucção e reduzir a resistência do ar, o que pode melhorar significativamente a sua eficiência energética e o seu desempenho global.
Este efeito é particularmente crucial em competições de alto nível, onde a mais pequena poupança de energia pode significar a diferença entre a vitória e a derrota.
Os nossos projectos de centros de dados : Ar e Vento
Modelação CFD das interações aerodinâmicas num grupo de corredores
O desempenho dos ciclistas num pelotão é largamente influenciado pela dinâmica de fluidos que se desenvolve à sua volta.
Nas corridas, os ciclistas formam grupos compactos para tirar partido doefeito de sucção e reduzir a resistência do ar, o que pode melhorar significativamente a sua eficiência energética e o seu desempenho global.
Este efeito é particularmente crucial em competições de alto nível, onde a mais pequena poupança de energia pode significar a diferença entre a vitória e a derrota.
Compreender a dinâmica dos fluidos em torno de um pelotão de ciclistas tem implicações práticas importantes.
As formações do pelotão e as posições relativas dos ciclistas influenciam diretamente a distribuição da resistência aerodinâmica, tendo assim impacto no gasto de energia individual.
Por exemplo, os ciclistas na frente do pelotão experimentam geralmente uma maior resistência ao ar, enquanto os que vêm atrás beneficiam de uma redução significativa desta resistência.
Ao otimizar as formações do pelotão e explorar as estratégias de corrida baseadas na dinâmica dos fluidos, as equipas de ciclismo podem maximizar a eficiência colectiva.
Isto é particularmente relevante nas corridas por etapas, nos contra-relógios por equipas e nas corridas de critério, em que a gestão da energia é essencial para manter um elevado desempenho em longas distâncias.
No entanto, apesar da sua importância, a dinâmica dos fluidos em torno dos pelotões de ciclismo é complexa e difícil de estudar empiricamente devido às muitas variáveis envolvidas, como a velocidade e a direção do vento, a posição do ciclista e as interações aerodinâmicas.
É aqui que as simulações CFD (Computational Fluid Dynamics) se tornam uma ferramenta inestimável.
Permitem modelar eanalisar estes fenómenos com maior precisão e flexibilidade, sem os constrangimentos logísticos e os custos dos ensaios em túnel de vento ou no terreno.
O objetivo deste estudo é tirar partido das simulações CFD para aprofundar a nossa compreensão da dinâmica dos fluidos num pelotão de ciclistas.
Ao analisar diferentes configurações e posições dos ciclistas, pretendemos identificar as formações ideais para minimizar a resistência aerodinâmica e maximizar a eficiência energética.
Metodologia de simulação CFD para análise aerodinâmica de um pelotão de ciclismo
Simulação CFD
Para estudar a dinâmica dos fluidos em torno de um pelotão de ciclistas, utilizámos a simulação CFD(Computational Fluid Dynamics), uma técnica poderosa para modelar os fluxos de ar com precisão e detalhe.
A CFD é um método numérico para analisar os movimentos dos fluidos através da resolução de equações diferenciais parciais.
Oferece a vantagem de poder explorar facilmente várias configurações e quantificar as forças aerodinâmicas exercidas sobre cada ciclista individualmente.
Comparando estas forças, podemos identificar as posições e formações mais eficazes em termos de redução da resistência.
A simulação CFD é um método poderoso para estudar o fluxo de ar em torno de um pelotão de ciclistas, oferecendo a capacidade deanalisar com precisão as forças aerodinâmicas.
No entanto, as suas limitações em termos de tempo de cálculo e de recursos informáticos podem ser restritivas, nomeadamente com uma semana máxima de cálculo e a ausência de um centro de dados.
Para ultrapassar estas limitações, foram necessários compromissos como aotimização dos parâmetros de simulação, como a utilização de uma malha adaptativa (detalhada no final do artigo), para encontrar um equilíbrio entre precisão e eficiência nos nossos estudos.
Parâmetros do estudo CFD
Para garantir uma comparação exacta dos efeitos das forças aerodinâmicas dentro e fora do pelotão, padronizámos a geometria de cada ciclista no nosso estudo.
Ao utilizar modelos idênticos para cada ciclista, eliminámos as variáveis relacionadas com as diferenças individuais, permitindo-nos concentrar apenas noimpacto das posições e formações dentro do pelotão.
Esta uniformidade geométrica garante que as variações observadas nas forças aerodinâmicas se devem exclusivamente às interações entre os ciclistas e a sua posição relativa, oferecendo assim resultados mais fiáveis e pertinentes para o estudo das posições favoráveis à redução da resistência.
Para efetuar a simulação do teu pelotão de ciclistasum modelo de simulação avançado, o Wall-Modeled Large Eddy Simulation (WMLES), foi utilizado.
Este alta fidelidade permite captar os detalhes dos fluxos turbulentos adaptando automaticamente a resolução perto das paredesparedes, tendo em conta os gradientes de pressão responsáveis pela separação do fluxoque são cruciais para análises aerodinâmicas.
Le WMLES utiliza um modelo de viscosidade chamado Wall-Adapting Local Eddy (WALE), que garante viscosidade local consistente e um comportamento preciso junto às paredes.
Cette méthode permet d’ refina dinamicamente a esteira à medida que o fluxo se desenvolve, garantindo uma modelação precisa e estável modelação precisa e estável de fenómenos aerodinâmicos complexos que rodeiam os ciclistas.
Vários estudos já examinaram a dinâmica dos fluidos em torno de um pelotão de ciclistas, como o The Peloton Project do Professor Bert Blocken da Universidade de Tecnologia de Eindhoven.
No entanto, estes estudos ignoram frequentemente a natureza não uniforme da disposição dos ciclistas no pelotão.
Por outras palavras, os ciclistas não estão dispostos de forma regular ou cartesiana, alinhados uns com os outros.
Por conseguinte, é necessário estudar uma configuração mais realista, tendo em conta esta variabilidade na disposição dos ciclistas.
A configuração estudada é a de um pelotão de 100 ciclistas dispostos de forma a simular uma corrida real numa estrada larga.
Esta abordagem permiteanalisar as variações das forças aerodinâmicas em condições mais próximas da realidade, ao contrário das formações rígidas e alinhadas, que seriam menos representativas da dinâmica da corrida.
Medição das forças de arrastamento
Questões
A medição das forças de arrasto é crucial no mundo do ciclismo, pois permite-nos quantificar a resistência do ar que cada ciclista tem de ultrapassar enquanto pedala.
Esta resistência aerodinâmica é um dos principais factores que limitam o desempenho, especialmente a altas velocidades.
Nas corridas, a redução da resistência aerodinâmica significa uma poupança de energia significativa, permitindo aos ciclistas manter velocidades mais elevadas com menos esforço, o que é essencial para um desempenho ótimo em longas distâncias.
Resistência aerodinâmica: como é que o ar influencia o desempenho?
A resistência aerodinâmica, ou resistência do ar, é uma força determinada por vários factores e tem uma influência significativa no desempenho de um ciclista.
Esta força resulta dainteração entre o ciclista (e a sua bicicleta) e oar que se move à sua volta.
Depende da densidade do ar ambiente, da velocidade do ciclista, da área frontal exposta ao fluxo de ar e do coeficiente de resistência (Cd ou Cx), que reflecte aaerodinâmica global da configuração ciclista-bicicleta.
De um ponto de vista quantitativo, a expressão da resistência aerodinâmica mostra que esta é proporcional ao produto da densidade do ar multiplicada pelo quadrado da velocidade do ciclista e pela área frontal do ciclista.
Por outras palavras, o ciclista tem literalmente de “empurrar” e pôr em movimento todo o volume de ar que atravessa.
Consequentemente, a redução da densidade do ar ou da área frontal pode reduzir significativamente esta resistência.
Um ciclista que queira reduzir a sua resistência pode reduzir a sua área frontal adoptando uma posição mais reclinada na bicicleta, uma estratégia habitualmente utilizada por profissionais em provas de contrarrelógio.
O coeficiente de arrasto dependenão só da forma aerodinâmica do ciclista e da sua bicicleta, mas também dos pormenores do fluxo de ar que os rodeia.
A investigação mostra que o movimento do ciclista cria uma sobrepressão de ar à sua frente e uma depressão atrás de si, contribuindo ambos os fenómenos para a resistência aerodinâmica.
Além disso, o ciclista arrasta o ar em movimento vários metros na sua esteira, tornando as interações aerodinâmicas ainda mais complexas para os ciclistas a jusante.
Para os ciclistas de um pelotão, o efeito da resistência é modulado pela sua posição relativa no grupo.
Com um vento de frente, andar em fila indiana, por exemplo, reduz a resistência dos ciclistas que se seguem, graças à redução da sobrepressão e da subpressão.
O efeito é mais pronunciado para os ciclistas que vêm atrás e depende também da distância entre as rodas e da posição aerodinâmica adoptada.
Plano vertical de distribuição da velocidade à volta do pelotão
Distribuição das velocidades e da pressão em torno dos ciclistas utilizando a simulação CFD
A simulação mostra os planos de distribuição da velocidade à volta dos ciclistas.
Como a força de arrasto é proporcional ao quadrado da velocidade, as zonas mais favoráveis do pelotão já podem ser identificadas.
A velocidade aparente do ar é de 15 m/s (ou seja, 54 km/h) para o ciclista que se encontra à frente do pelotão, pelo que sentirá mais resistência do que os outros ciclistas do pelotão.
De facto, podemos constatar que, no interior do pelotão, as velocidades efectivas são mais baixas, reduzindo assim o arrastamento dos ciclistas do pelotão.
As duas figuras abaixo dão-te uma ideia melhor, com as velocidades do ar e as distribuições de pressão vistas de cima do pelotão.
A figura acima mostra que os ciclistas na frente do pelotão têm velocidades do ar mais elevadas.
Em contrapartida, os ciclistas mais atrás e no interior do pelotão registam velocidades do ar mais baixas.
Com efeito, os ciclistas à frente actuam como corta-ventos, protegendo os ciclistas na parte de trás do pelotão ao reduzirem a resistência do ar que encontram.
Isto tem um impacto direto na força de arrasto sentida por cada ciclista.
Como esta força é proporcional ao quadrado da velocidade, podemos assumir que a resistência sentida pelos ciclistas da frente do pelotão será maior do que a sentida pelos ciclistas de trás.
Diz-se também que os ciclistas do centro do pelotão beneficiam da sucção gerada pelos ciclistas da frente do pelotão.
Podes ver isto no mapa de pressão abaixo. Ao seguirem o rasto dos ciclistas da frente, os ciclistas do pelotão beneficiam da baixa pressão atrás deles, o que reduz o excesso de pressão que eles próprios criam.
Assim, a resistência aerodinâmica é consideravelmente reduzida para estes ciclistas. Este efeito de sucção permite que os ciclistas mantenham velocidades elevadas com menos esforço, tirando partido da redução da resistência do ar.
Na prática, a simulação CFD pode ser utilizada paraotimizar a posição dos ciclistas, escolher equipamento mais aerodinâmico e desenvolver estratégias de corrida eficazes.
Nas técnicas de contrarrelógio, por exemplo, os ciclistas podem beneficiar destas simulações, ajustando a sua posição na bicicleta para maximizar a aerodinâmica.
A simulação CFD ajuda a determinar a posição ideal, muitas vezes adoptando uma postura mais baixa e mais alongada para minimizar a área frontal exposta ao vento.
Além disso, os ciclistas podem utilizar bicicletas especialmente concebidas para provas de contrarrelógio, com quadros aerodinâmicos e rodas sólidas que reduzem ainda mais a resistência.
No túnel de vento, os ciclistas testam diferentes configurações de equipamento, como capacetes aerodinâmicos e fatos justos, para escolherem os que oferecem menor resistência ao ar.
A simulação CFD tem uma vantagem sobre os testes em túnel de vento: poupa tempo e dinheiro.
Graças a estes ajustes baseados em dados de simulação, os ciclistas podem poupar segundos preciosos, ou mesmo minutos, no seu desempenho global.
As equipas de ciclismo também utilizam a simulação e os dados do túnel de vento para formar pelotões estrategicamente, maximizando oefeito de sucção e reduzindo a resistência colectiva.
Medição do arrastamento na simulação CFD
A seguir, avaliamos as forças de resistência de cada ciclista individualmente e, por conseguinte, as posições mais favoráveis no pelotão.
A figura abaixo resume a percentagem de resistência sentida por um ciclista em comparação com a resistência sentida pelo ciclista à cabeça do pelotão (que sente a resistência máxima associada ao valor 100%).
Em termos concretos, o mapa mostra a percentagem de resistência sentida por cada ciclista do pelotão, calculada em função da resistência máxima sentida pelo ciclista líder.
Os ciclistas em posições mais favoráveis no pelotão beneficiam de percentagens de arrasto mais baixas, o que indica uma redução significativa da resistência ao ar graças à proteção oferecida pelos outros ciclistas.
Os ciclistas no centro do pelotão têm de fazer metade do esforço que os da frente.
A estratégia de posicionamento dos ciclistas para minimizar o arrastamento
De um modo geral, todos os ciclistas do pelotão sentem menos resistência do que o ciclista da frente.
Quanto mais atrás estiver um ciclista no pelotão, menor é a resistência.
Esta tendência também se aplica aos ciclistas do centro do pelotão, que sentem menos resistência do que os da periferia.
A figura acima mostra que a zona delimitada pelo círculo vermelho é a mais vantajosa para um ciclista no início da corrida.
Nesta zona, o ciclista sente apenas 10% a 20% do arrastamento do líder, mantendo-se próximo da frente da corrida, o que lhe permite poupar bastante energia no início da corrida.
No entanto, a escolha do lugar no pelotão não se baseia apenas em considerações energéticas.
Quanto mais atrás um ciclista estiver no pelotão, mais vulnerável fica ao efeito sanfona provocado pela aceleração na frente, ou a eventuais colisões.
É por isso que os líderes da Volta à França preferem ficar nas primeiras filas, rodeados pelos seus companheiros de equipa.
A redução do arrastamento continua a ser muito significativa, mas podem reagir mais facilmente a uma aceleração brusca dos seus rivais.
Campo de vorticidade
A vorticidade é uma medida da rotação de um fluido em torno de um eixo local.
Quando um objeto, como um ciclista numa bicicleta, se desloca através de um fluido como o ar, perturba naturalmente o fluxo desse fluido.
Esta perturbação resulta na formação de vórtices, zonas onde a velocidade e a direção do fluido são alteradas.
Estes vórtices geram vorticidade, uma variável que caracteriza aintensidade e a localização destas rotações.
A visualização do campo de vorticidade volumétrica abaixo mostra que são as bicicletas na frente do grupo perturbam mais o fluxo, resultando em maior arrasto sobre elas.
O fenómeno da borda no ciclismo
Formação de leques: uma estratégia de colaboração para contrariar o vento e manter-se na corrida
Para te protegeres do vento cruzado, uma estratégia complexa mas eficaz é a formação de leques.
Um ciclista posiciona-se ligeiramente atrás e ao lado do ciclista que está a fazer o esforço, protegendo-se assim do vento.
Quanto mais forte e lateral for o vento, mais o ciclista se desloca para o lado para beneficiar desta proteção.
Quando um ciclista se encontra isolado e exposto ao vento, diz-se que está“na berma” ouque foi “berbeado”.
Para este ciclista, o esforço torna-se consideravelmente mais difícil, muitas vezes ao ponto de não conseguir acompanhar o pelotão.
A chave para esta estratégia contra o vento é formar ventoinhas.
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 À esquerda da estrada.
Après avoir pris son relédeixa que os seus companheiros de equipa beneficiem do seu abrigo e volta a aproximar-se do fundo do grupo, antes de retomar a sua posição atrás do último ciclista, ao abrigo do vento. abrigado do vento.
Ce processus se répète, assurant une rotação contínua do relé e proteção óptima contra o vento.
Sobreviver no limite: a arte subtil de se proteger do vento em grupo
Existem dois tipos de leque: simples e duplo.
O leque simples, organizado em fila única, é utilizado para pequenos grupos, como uma fuga com menos de oito ciclistas ou um contrarrelógio por equipas.
O ciclista que lidera a corrida abranda após a sua estafeta, mantém-se em contacto com a fila ascendente, contorna o último ciclista e regressa rapidamente à segurança.
O duplo leque, pelo contrário, é mais eficaz e é composto por duas linhas: uma a jusante e outra a montante.
A linha descendente, composta pelos pilotos que assumiram o comando, posiciona-se a barlavento, enquanto a linha ascendente, abrigada pela linha descendente, se prepara para assumir o comando.
Esta formação proporciona uma proteção contínua a todos os cavaleiros, uma vez que estão sempre protegidos pela linha descendente ou pelo cavaleiro que se encontra à sua frente.
Ciclistas isolados: a chave para abandonar o pelotão
A formação em leque duplo exige que pelo menos dez cavaleiros estejam a postos.
Em competição, uma equipa pode apertar o leque colocando um ciclista forte perto da berma da estrada, no lado oposto ao vento, reduzindo assim o número de ciclistas protegidos e aumentando a dificuldade para os adversários.
Quando o vento cruzado éintenso, esta técnica pode fragmentar o pelotão, criando arestas espectaculares e decisivas na corrida.
Os ciclistas que não conseguem inserir-se corretamente nos leques ficam diretamente expostos ao vento, sofrendo um aumento drástico da resistência aerodinâmica.
Este aumento da resistência é o resultado da quebra do fluxo de ar suave e contínuo à volta dos ciclistas, criando turbulência e maior resistência.
Os pilotos abrigados no leque beneficiam de uma redução significativa da resistência graças aoefeito de esteira e à proteção lateral oferecida pelos seus companheiros de equipa.
Por outro lado, os ciclistas isolados têm de fazer um esforço muito maior para manter a sua velocidade, o que pode levar a que se afastem do pelotão.
Este desequilíbrio na repartição das forças aerodinâmicas pode provocar afragmentação do pelotão em vários grupos distintos, o que torna o fenómeno do“edgeing” não só crucial do ponto de vista tático, mas também espetacular.
Este aspeto aerodinâmico tem sido responsável pela perda de líderes em Tours de France.
Estudo CFD de ciclistas em forma de leque
A Eolios estudou a configuração em leque duplo de 8 ciclistas quando surge um vento lateral durante uma corrida.
O objetivo deste estudo é confirmar, através de CFD, aeficácia da configuração da ventoinha neste tipo de situação.
O modelo 3D dos ciclistas é o mesmo que o anterior e a configuração estudada é mostrada na figura abaixo.
A figura abaixo mostra a distribuição das velocidades do ar em torno dos ciclistas.
As velocidades do ar ao nível dos ciclistas protegidos são mais baixas.
Tal como no caso do pelotão clássico, os ciclistas protegidos sofrem uma resistência muito menor.
Simulação CFD da aerodinâmica de ciclistas em forma de leque
Os cálculos das forças de arrasto mostram que os 6 pilotos protegidos sentem em média 30% do arrasto total sentidopor cada um dos dois pilotos principais.
Esta redução de 70% do arrasto prova que o sistema de ventoinha dupla é eficaz em condições de vento cruzado.
Ao visualizar o campo volumétrico da vorticidade, podemos ver que, tal como no caso do pelotão clássico, os ciclistas da frente são os que mais perturbam o fluxo de ar e os mais afectados por ele.
Campo volumétrico de vorticidade em torno de ciclistas em forma de leque
Otimização do desempenho e aerodinâmica: o impacto da simulação CFD no ciclismo de competição
Este estudo de simulação CFD aplicado a um pelotão de ciclistas é uma iniciativa deliberada daEOLIOS para ilustrar os avanços tecnológicos e as aplicações práticas do CFD no domínio do ciclismo de competição.
Analisando aspectos cruciais como o arrasto aerodinâmico e as posições estratégicas dos ciclistas (com fenómenos de borda, por exemplo), conseguimos demonstrar como estas ferramentas podem otimizar o desempenho e oferecer vantagens competitivas significativas durante eventos de prestígio como a Volta a França.
Com esta iniciativa, a EOLIOS pretende não só partilhar com o público em geral e com os entusiastas do ciclismo as possibilidades oferecidas pela simulação CFD, mas também encorajar uma compreensão mais profunda dos factores científicos e tecnológicos que influenciam o desporto.
Ao contribuirmos com a nossa experiência e inovações neste domínio, esperamos contribuir para amelhoria contínua do desempenho dos atletas e para oavanço do conhecimento nosector do ciclismo de competição.
O EOLIOS espera que este estudo inspire mais investigação e aplicações do CFD em vários campos desportivos e não só.
Resumo das simulações CFD de um pelotão de ciclistas da Volta à França
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