Symulacja CFD zjawisk aerodynamicznych w peletonie kolarskim

Modelowanie CFD oddziaływań aerodynamicznych w grupie zawodników

Wyniki kolarzy w peletonie zależą w dużej mierze od mechaniki płynów, która rozwija się wokół nich.

Podczas wyścigu kolarze tworzą zwarte grupy, aby korzystać z efektu zasysania i zmniejszyć opór powietrza, co może znacząco poprawić ich efektywność energetyczną oraz ogólne wyniki. Efekt ten jest szczególnie istotny w zawodach najwyższego poziomu, gdzie najmniejsza oszczędność energii może zdecydować o różnicy między zwycięstwem oraz porażką.

Zrozumienie mechaniki płynów wokół peletonu kolarskiego ma istotne znaczenie praktyczne. Układy peletonu oraz wzajemne pozycje kolarzy wpływają bezpośrednio na rozkład oporu aerodynamicznego, a tym samym na indywidualny wydatek energetyczny. Na przykład kolarze jadący na czele peletonu napotykają zwykle większy opór powietrza, podczas gdy jadący z tyłu korzystają z znacznego zmniejszenia tego oporu.

Optymalizując układy peletonu i wykorzystując strategie wyścigowe oparte na mechanice płynów, zespoły mogą maksymalizować efektywność zespołową. Ma to szczególne znaczenie w wyścigach etapowych, drużynowej jeździe na czas oraz kryteriach, gdzie gospodarowanie energią jest kluczowe dla utrzymania wysokiej formy na długich dystansach.

Mimo swojego znaczenia mechanika płynów wokół peletonu jest jednak złożona i trudna do badania doświadczalnego ze względu na liczbę zmiennych: prędkość, kierunek wiatru, pozycje kolarzy oraz oddziaływania aerodynamiczne.

W tym miejscu Symulacje CFD (Computational Fluid Dynamics) staje się cennym narzędziem. Pozwala modelować i analizować te zjawiska z dokładnością oraz większą elastycznością, bez ograniczeń logistycznych oraz kosztów Badania w tunelu aerodynamicznym ani badań w terenie.

Celem tej analizy jest wykorzystanie Symulacje CFD do pogłębienia wiedzy o mechanice płynów w peletonie. Analizując różne układy i pozycje kolarzy, chcemy wskazać układy optymalne, aby zminimalizować opór aerodynamiczny i zmaksymalizować efektywność energetyczną.

Metodyka symulacji CFD w analizie peletonu

Symulacja CFD

Aby zbadać mechanikę płynów wokół peletonu kolarskiego, wykorzystaliśmy symulacji CFD — potężną technikę modelowania przepływów powietrza. Jej zaletą jest możliwość łatwego badania różnych układów oraz określenia sił aerodynamicznych działających na każdego kolarza z osobna. Porównując te siły, można wskazać pozycje oraz najskuteczniejsze układy pod względem redukcji oporu.

Symulacja CFD to metoda o dużych możliwościach, ale jej ograniczenia dotyczące czasu obliczeń oraz zasobów obliczeniowych bywają dotkliwe: tutaj był to maksymalnie tydzień obliczeń i brak centrum danych. Aby temu zaradzić, konieczne były kompromisy, takie jak optymalizacja parametrów symulacji, na przykład zastosowanie siatki adaptacyjnej, pozwalające znaleźć równowagę między dokładnością i skutecznością.

Parametry analiz CFD

Aby zapewnić dokładne porównanie sił aerodynamicznych wewnątrz i na zewnątrz peletonu, ujednoliciliśmy geometrię każdego kolarza. Stosując identyczne modele, wyeliminowaliśmy zmienne związane z różnicami indywidualnymi i skupiliśmy analizę na wpływie pozycji oraz układów w peletonie.

Ta jednorodność geometryczna gwarantuje, że obserwowane różnice sił aerodynamicznych wynikają wyłącznie z oddziaływań między kolarzami i z ich wzajemnego rozmieszczenia, co daje wyniki bardziej wiarygodne i i trafniejsze.

Do symulacji użyto modelu o wysokiej dokładności: Wall-Modeled Large Eddy Simulation (WMLES). Model ten odwzorowuje szczegóły przepływów turbulentnych, automatycznie dostosowując rozdzielczość przy ściankach i uwzględniając gradienty ciśnienia odpowiedzialne za oderwanie przepływu. WMLES korzysta z modelu lepkości o nazwie Wall-Adapting Local Eddy (WALE), który zapewnia spójną lepkość lokalną i poprawne zachowanie przy ściankach oraz pozwala dynamicznie zagęszczać siatkę w śladzie aerodynamicznym w miarę rozwoju przepływu.

Analizowany układ to peleton 100 kolarzy rozmieszczonych tak, aby odwzorować rzeczywisty wyścig na szerokiej drodze. Takie podejście pozwala analizować zmienność sił aerodynamicznych w warunkach zbliżonych do rzeczywistych, w przeciwieństwie do sztywnych, wyrównanych układów, mniej reprezentatywnych dla dynamiki wyścigu.

Pomiar sił oporu

Stawka

Pomiar sił oporu ma w kolarstwie kluczowe znaczenie: pozwala określić opór powietrza, który każdy kolarz musi pokonać. Ten opór aerodynamiczny jest jednym z głównych czynników ograniczających wyniki, zwłaszcza przy dużych prędkościach. Zmniejszenie oporu oznacza znaczną oszczędność energii i pozwala utrzymywać wyższe prędkości mniejszym wysiłkiem.

Opór aerodynamiczny: jak powietrze wpływa na wyniki?

Opór aerodynamiczny, czyli opór powietrza, wynika z oddziaływania między kolarzem (wraz z rowerem) a poruszającym się powietrzem. Zależy od gęstości powietrza otoczenia, prędkości kolarza, powierzchni czołowej oraz współczynnika oporu (Cd lub Cx), który odzwierciedla ogólną aerodynamikę układu kolarz–rower.

Opór jest proporcjonalny do iloczynu gęstości powietrza i kwadratu prędkości oraz do powierzchni czołowej. Kolarz musi dosłownie « przepchnąć » całą objętość powietrza, przez którą przejeżdża: zmniejszenie gęstości powietrza lub powierzchni czołowej istotnie obniża więc ten opór.

Kolarz, który chce zmniejszyć swój opór, może zmniejszyć powierzchnię czołową, przyjmując bardziej płożoną pozycję — strategia typowa dla jazdy na czas. Współczynnik oporu zależy nie tylko od kształtu aerodynamicznego, ale też od szczegółów przepływu powietrza wokół zawodnika.

Badania pokazują, że ruch kolarza wywołuje nadciśnienie powietrza przed nim oraz podciśnienie za nim — oba zjawiska zwiększają opór. Ponadto kolarz porywa powietrze na kilka metrów w swoim śladzie, komplikując oddziaływania dla jadących z tyłu.

W peletonie wpływ oporu zależy od wzajemnej pozycji. Przy wietrze czołowym jazda w jednym rzędzie zmniejsza opór jadących z tyłu dzięki ograniczeniu nad- i podciśnień; efekt jest wyraźniejszy u kolarzy jadących z tyłu i zależy od odległości między kołami oraz od przyjętej pozycji aerodynamicznej.

Rozkład prędkości i ciśnienia w symulacji CFD

Symulacja pozwala pokazać przekroje rozkładu prędkości wokół kolarzy. Ponieważ siła oporu jest proporcjonalna do kwadratu prędkości, widać już najkorzystniejsze strefy peletonu.

Pozorna prędkość powietrza wynosi 15 m/s (czyli 54 km/h) dla kolarza na czele peletonu: odczuwa więc większy opór niż zawodnicy wewnątrz peletonu, gdzie prędkości efektywne są mniejsze. Dwa poniższe rysunki pokazują to w widoku z góry.

Kolarze na czele napotykają wyższe prędkości powietrza, a zawodnicy jadący dalej i wewnątrz peletonu napotykają prędkości mniejsze. Jadący na czele pełnią rolę wiatrochronu, osłaniając tych z tyłu. Ponieważ siła oporu jest proporcjonalna do kwadratu prędkości, opór działający na czołowych zawodników jest znacznie większy niż odczuwany na końcu peletonu.

Mówi się też, że zawodnicy ze środka peletonu korzystają z zasysania wytwarzanego przez jadących na czele. Ustawiając się w ich śladzie, korzystają z podciśnienia za nimi, co zmniejsza wytwarzane przez nich nadciśnienie, a więc i opór. To zjawisko zasysania pozwala im utrzymywać wysokie prędkości mniejszym wysiłkiem.

W praktyce CFD pozwala optymalizować pozycję kolarzy, dobierać bardziej aerodynamiczny sprzęt i opracowywać strategie wyścigowe. W jeździe na czas zawodnicy dostosowują pozycję, aby zmaksymalizować aerodynamikę, często przyjmując niższą i bardziej wydłużoną sylwetkę, aby zmniejszyć powierzchnię czołową. Używają rowerów o profilowanych ramach i kołach pełnych i testują w tunelu aerodynamicznym kaski aerodynamiczne i obcisłe kombinezony.

CFD ma przewagę nad badaniami w tunelu aerodynamicznym: oszczędza czas i pieniądze. Dzięki takim korektom opartym na danych z symulacji kolarze zyskują cenne sekundy; zespoły tworzą też strategiczne układy peletonu, maksymalizujące efekt zasysania i zmniejszające opór całej grupy.

Pomiar oporu w symulacji CFD

Oceniliśmy siły oporu działające na każdego kolarza i wskazaliśmy pozycje najkorzystniejsze. Poniższa mapa pokazuje procent oporu odczuwanego przez każdego zawodnika w odniesieniu do kolarza na czele (opór maksymalny: 100 %).

Kolarze na korzystnych pozycjach wewnątrz peletonu odczuwają opór mniejszy. Zawodnicy ze środka peletonu wkładają o połowę mniej wysiłku niż jadący na czele.

Strategia ustawienia minimalizująca opór

Ogólnie wszyscy kolarze odczuwają mniejszy opór niż zawodnik na czele. Im dalej kolarz jest z tyłu i bliżej środka peletonu, tym mniej jest narażony. Strefa zaznaczona czerwonym okręgiem jest najkorzystniejsza na początku wyścigu: zawodnicy odczuwają w niej jedynie od 10% do 20% oporu lidera, pozostając blisko czoła, co daje znaczną oszczędność energii.

Wybór miejsca nie wynika jednak wyłącznie z energii: im bardziej zawodnik jest na końcu peletonu, tym bardziej narażony jest na efekt harmonijki wywoływany przyspieszeniami na czele oraz na ewentualne kraksy. Dlatego liderzy Tour de France wolą jechać w pierwszych szeregach, otoczeni kolegami z drużyny, aby szybko reagować, korzystając nadal ze znacznej redukcji oporu.

Pole wirowości

Wirowość to miara obrotu płynu wokół lokalnej osi. Gdy obiekt, na przykład kolarz, porusza się w powietrzu, zaburza przepływ: zaburzenie to objawia się powstawaniem wirów — obszarów o zmienionej prędkości i kierunku płynu, które generują wirowość.

Wizualizacja objętościowego pola wirowości pokazuje, że to rowery na czele peletonu najsilniej zaburzają przepływ, stąd większy opór działający na nie.

Zjawisko wachlarza w kolarstwie

Tworzenie wachlarzy: zespołowa strategia przeciw wiatrowi

Aby osłonić się przed wiatrem bocznym, skuteczną strategią jest tworzenie wachlarzy. Zawodnik ustawia się nieco z tyłu i z boku tego, który pracuje, chowając się przed wiatrem. Im wiatr jest silniejszy i bardziej boczny, tym bardziej zawodnik przesuwa się w bok, aby korzystać z osłony.

Gdy zawodnik zostaje sam, wystawiony na wiatr, mówi się, że jest « w wachlarzu » albo że został « odcięty wachlarzem ». Wysiłek staje się dla niego znacznie trudniejszy, często do tego stopnia, że nie jest w stanie utrzymać się w peletonie.

Kluczem tej strategii jest tworzenie wachlarzy. Zawodnik na czele ustawia się po stronie, z której wieje wiatr, aby osłonić jadących za nim. Po swojej zmianie zwalnia, pozwalając kolegom korzystać z osłony, i cofa się na koniec grupy, aby następnie wrócić na miejsce zasłonięte od wiatru. Ten proces zapewnia ciągłą rotację zmian i optymalną osłonę.

Przetrwać w wachlarzu: osłona przed wiatrem w grupie

Są dwa rodzaje wachlarzy: pojedynczy i podwójny. Wachlarz pojedynczy, ustawiony w jednym rzędzie, stosuje się w małych grupach (ucieczka poniżej ośmiu zawodników, drużynowa jazda na czas). Wachlarz podwójny, skuteczniejszy, składa się z dwóch rzędów: cofającego się od strony wiatru, złożonego z zawodników po zmianie, oraz przesuwającego się do przodu, osłoniętego, który przygotowuje się do zmiany. Taki układ zapewnia ciągłą osłonę wszystkim zawodnikom.

Zawodnicy odcięci: klucz do odpadnięcia

Podwójny wachlarz wymaga co najmniej dziesięciu zawodników. W wyścigu drużyna może zacieśnić wachlarz, ustawiając mocnego zawodnika przy krawędzi drogi po stronie przeciwnej do wiatru, co zmniejsza liczbę osłoniętych zawodników i utrudnia jazdę rywalom. Gdy wiatrem bocznym jest silny, technika ta może rozbić peleton, tworząc decydujące wachlarze: zawodnicy, którym nie uda się wskoczyć, zostają wystawieni na wiatr i doświadczają gwałtownego wzrostu oporu wskutek przerwania gładkiego, ciągłego strumienia powietrza.

Zawodnicy osłonięci korzystają ze znacznego zmniejszenia oporu dzięki efektowi śladu aerodynamicznego i bocznej osłonie kolegów z drużyny. Zawodnicy odcięci muszą włożyć znacznie większy wysiłek, co może prowadzić do odpadnięcia i do rozbicia peletonu na kilka grup. Ten aspekt aerodynamiczny potrafił kosztować przegrany Tour de France niejednego lidera.

Analiza CFD kolarzy w wachlarzu

EOLIOS przeanalizował układ podwójnego wachlarza dla 8 kolarzy przy wietrze bocznym, aby potwierdzić metodą CFD skuteczność tego układu. Model 3D kolarzy jest taki sam jak poprzednio.

Rozkład prędkości powietrza pokazuje, że osłonięci kolarze napotykają mniejsze prędkości; podobnie jak w klasycznym peletonie odczuwają znacznie mniejszy opór. Pole wirowości potwierdza, że to zawodnicy na czele najsilniej zaburzają przepływ.

Optymalizacja wyników: rola CFD w kolarstwie wyczynowym

Ta analiza symulacji CFD zastosowana do peletonu to inicjatywa własna o charakterze EOLIOS, która pokazuje postęp technologiczny oraz konkretne zastosowania CFD w kolarstwie wyczynowym. Analizując Opór aerodynamiczny oraz strategiczne pozycje zawodników (z uwzględnieniem na przykład zjawiska wachlarza), pokazaliśmy, jak te narzędzia poprawiają wyniki podczas imprez takich jak Tour de France.

Tą inicjatywą EOLIOS chce podzielić się z szeroką publicznością oraz i miłośnikami kolarstwa możliwościami symulacji CFD oraz zachęcić do głębszego zrozumienia naukowych i technologicznych czynników wpływających na ten sport.

EOLIOS ma nadzieję, że ta analiza zainspiruje nowe badania i zastosowania CFD w różnych dziedzinach sportu i poza nim.