Simulación CFD de los fenómenos aerodinámicos de un pelotón de ciclistas
Impacto de las variaciones en la posición del ciclista sobre las interacciones aerodinámicas en el pelotón
El rendimiento de los ciclistas en un pelotón está influido en gran medida por la dinámica de fluidos que se desarrolla a su alrededor.
En las carreras, los ciclistas forman grupos compactos para aprovechar elefecto de succión y reducir la resistencia del aire, lo que puede mejorar significativamente su eficiencia energética y su rendimiento general.
Este efecto es especialmente crucial en las competiciones de alto nivel, donde el más mínimo ahorro de energía puede significar la diferencia entre la victoria y la derrota.
Nuestros proyectos de Centros de Datos: Aire y Viento
Modelización CFD de las interacciones aerodinámicas en un grupo de corredores
El rendimiento de los ciclistas en un pelotón está influido en gran medida por la dinámica de fluidos que se desarrolla a su alrededor.
En las carreras, los ciclistas forman grupos compactos para aprovechar elefecto de succión y reducir la resistencia del aire, lo que puede mejorar significativamente su eficiencia energética y su rendimiento general.
Este efecto es especialmente crucial en las competiciones de alto nivel, donde el más mínimo ahorro de energía puede significar la diferencia entre la victoria y la derrota.
Comprender la dinámica de los fluidos alrededor de un pelotón de ciclistas tiene importantes implicaciones prácticas.
Las formaciones del pelotón y las posiciones relativas de los ciclistas influyen directamente en la distribución de la resistencia aerodinámica, lo que repercute en el gasto energético individual.
Por ejemplo, los ciclistas situados en la parte delantera del pelotón suelen experimentar una mayor resistencia al aire, mientras que los que van detrás se benefician de una reducción significativa de esta resistencia.
Optimizando las formaciones del pelotón y explotando las estrategias de carrera basadas en la dinámica de fluidos, los equipos ciclistas pueden maximizar la eficiencia colectiva.
Esto es especialmente relevante en las carreras por etapas, las contrarrelojes por equipos y las carreras de criterium, en las que la gestión de la energía es esencial para mantener un alto rendimiento en largas distancias.
Sin embargo, a pesar de su importancia, la dinámica de fluidos alrededor de los pelotones ciclistas es compleja y difícil de estudiar empíricamente debido a las muchas variables que intervienen, como la velocidad y dirección del viento, la posición del ciclista y las interacciones aerodinámicas.
Aquí es donde las simulaciones CFD (Dinámica Computacional de Fluidos) se convierten en una herramienta inestimable.
Permiten modelizar yanalizar estos fenómenos con mayor precisión y flexibilidad, sin las limitaciones logísticas y los costes de las pruebas en túnel de viento o sobre el terreno.
El objetivo de este estudio es aprovechar las simulaciones CFD para profundizar en nuestra comprensión de la dinámica de fluidos dentro de un pelotón de ciclistas.
Analizando diferentes configuraciones y posiciones de los ciclistas, pretendemos identificar las formaciones óptimas para minimizar la resistencia aerodinámica y maximizar la eficiencia energética.
Metodología de simulación CFD para el análisis aerodinámico de un pelotón ciclista
Simulación CFD
Para estudiar la dinámica de los fluidos alrededor de un pelotón de ciclistas, utilizamos la simulación CFD(Dinámica de Fluidos Computacional), una potente técnica para modelizar con precisión y detalle los flujos de aire.
La CFD es un método numérico para analizar los movimientos de los fluidos mediante la resolución de ecuaciones diferenciales parciales.
Ofrece la ventaja de poder explorar fácilmente varias configuraciones y cuantificar las fuerzas aerodinámicas ejercidas sobre cada piloto individualmente.
Comparando estas fuerzas, podemos identificar las posiciones y formaciones más eficaces para reducir la resistencia aerodinámica.
La simulación CFD es un método potente para estudiar el flujo de aire alrededor de un pelotón de ciclistas, que ofrece la posibilidad deanalizar con precisión las fuerzas aerodinámicas.
Sin embargo, sus limitaciones en cuanto a tiempo de cálculo y recursos informáticos pueden ser restrictivas, sobre todo con una semana máxima de cálculo y la ausencia de un centro de datos.
Para superar estas limitaciones, han sido necesarios compromisos como laoptimización de los parámetros de simulación, como el uso de una malla adaptativa (detallada al final del artículo), para lograr un equilibrio entre precisión y eficacia en nuestros estudios.
Parámetros del estudio CFD
Para garantizar una comparación precisa de los efectos de las fuerzas aerodinámicas dentro y fuera del pelotón, hemos estandarizado la geometría de cada corredor en nuestro estudio.
Al utilizar modelos idénticos para cada corredor, hemos eliminado las variables relacionadas con las diferencias individuales, lo que nos ha permitido centrarnos únicamente en elimpacto de las posiciones y formaciones dentro del pelotón.
Esta uniformidad geométrica garantiza que las variaciones observadas en las fuerzas aerodinámicas se deban exclusivamente a las interacciones entre los ciclistas ysu posición relativa, ofreciendo así resultados más fiables y pertinentes para estudiar las posiciones favorables para reducir la resistencia aerodinámica.
Para realizar la simulación de tu pelotón de ciclistasun modelo de simulación avanzado, la Simulación de grandes corrientes de Foucault (WMLES).
Este alta fidelidad permite captar los detalles de los flujos turbulentos adaptando automáticamente la resolución cerca de las paredesparedes, teniendo en cuenta al mismo tiempo gradientes de presión responsables de la separación de flujosque son cruciales para análisis aerodinámicos.
Le WMLES utiliza un modelo de viscosidad llamado Foucault Local Adaptado a la Pared (WALE), que garantiza una viscosidad local coherente y un comportamiento comportamiento cerca de las paredes.
Cette méthode permet d’ perfeccionar dinámicamente la estela a medida que se desarrolla el flujo, garantizando un modelización precisa y estable de fenómenos aerodinámicos complejos que rodean a los ciclistas.
Varios estudios ya han examinado la dinámica de fluidos en torno a un pelotón de ciclistas, como el Proyecto Pelotón del profesor Bert Blocken, de la Universidad Tecnológica de Eindhoven.
Sin embargo, estos estudios suelen pasar por alto la naturaleza no uniforme de la disposición de los ciclistas dentro del pelotón.
En otras palabras, los ciclistas no están dispuestos de forma regular o cartesiana, alineados unos con otros.
Por consiguiente, es necesario estudiar una configuración más realista, que tenga en cuenta esta variabilidad en la disposición de los ciclistas.
La configuración estudiada es la de un pelotón de 100 ciclistas dispuestos de forma que simulen una carrera real en una carretera ancha.
Este enfoque permiteanalizar las variaciones de las fuerzas aerodinámicas en condiciones más cercanas a la realidad, a diferencia de las formaciones rígidas y alineadas, que serían menos representativas de la dinámica de la carrera.
Medición de las fuerzas de arrastre
Cuestiones
La medición de las fuerzas de resistencia aerodinámica es crucial en el mundo del ciclismo porque permite cuantificar la resistencia al aire que cada ciclista tiene que vencer mientras pedalea.
Esta resistencia aerodinámica es uno de los principales factores que limitan el rendimiento, especialmente a altas velocidades.
En competición, reducir la resistencia aerodinámica supone un importante ahorro de energía, que permite a los ciclistas mantener velocidades más altas con menos esfuerzo, lo que es esencial para un rendimiento óptimo en largas distancias.
Resistencia aerodinámica: ¿cómo influye el aire en el rendimiento?
La resistencia aerodinámica, o resistencia al aire, es una fuerza determinada por varios factores y tiene una influencia significativa en el rendimiento de un ciclista.
Esta fuerza resulta de lainteracción entre el ciclista (y su bici) y elaire que se mueve a su alrededor.
Depende de la densidad del aire ambiente, de la velocidad del ciclista, del área frontal expuesta al flujo de aire y del coeficiente de resistencia (Cd o Cx), que refleja laaerodinámica global de la configuración ciclista-bicicleta.
Desde un punto de vista cuantitativo, la expresión de la resistencia aerodinámica muestra que es proporcional al producto de la densidad del aire multiplicado por el cuadrado de la velocidad del ciclista y por el área frontal del ciclista.
En otras palabras, el ciclista tiene literalmente que «empujar» y poner en movimiento todo el volumen de aire por el que pasa.
En consecuencia, reducir la densidad del aire o el área frontal puede reducir significativamente esta resistencia.
Un ciclista que quiera reducir su resistencia aerodinámica puede reducir su área frontal adoptando una posición más reclinada sobre la bici, una estrategia utilizada habitualmente por los profesionales en las contrarrelojes.
El coeficiente de resistenciano sólo depende de la forma aerodinámica del ciclista y su bicicleta, sino también de los detalles del flujo de aire que los rodea.
Las investigaciones demuestran que el movimiento del ciclista crea una sobrepresión de aire delante de él y una depresión detrás, fenómenos ambos que contribuyen a la resistencia aerodinámica.
Además, el ciclista arrastra aire en movimiento varios metros a su paso, lo que hace que las interacciones aerodinámicas sean aún más complejas para los ciclistas que circulan aguas abajo.
Para los ciclistas de un pelotón, el efecto de la resistencia aerodinámica está modulado por su posición relativa en el grupo.
Con viento en contra, ir en fila india, por ejemplo, reduce la resistencia aerodinámica experimentada por los ciclistas que van detrás gracias a la reducción de la sobrepresión y la subpresión.
El efecto es más pronunciado para los ciclistas que van detrás, y depende también de la distancia entre las ruedas y de la posición aerodinámica adoptada.
Plano vertical de distribución de la velocidad alrededor del pelotón
Distribución de la velocidad y la presión alrededor de los ciclistas mediante simulación CFD
La simulación muestra los planos de distribución de la velocidad alrededor de los ciclistas.
Como la fuerza de arrastre es proporcional al cuadrado de la velocidad, ya se pueden identificar las zonas más favorables del pelotón.
La velocidad aparente del aire es de 15 m/s (es decir, 54 km/h) para el ciclista situado al frente del pelotón, por lo que sentirá más resistencia que los demás ciclistas del pelotón.
De hecho, podemos ver que dentro del propio pelotón, las velocidades efectivas son menores, por lo que se reduce la resistencia aerodinámica de los ciclistas del pelotón.
Las dos figuras siguientes dan una mejor idea de ello, con las velocidades del aire y las distribuciones de presión vistas desde arriba del pelotón.
La figura anterior muestra que los ciclistas situados en la parte delantera del pelotón experimentan velocidades del aire más altas.
Por el contrario, los ciclistas situados más atrás y dentro del pelotón experimentan velocidades del aire más bajas.
En efecto, los ciclistas de la parte delantera actúan como cortavientos, protegiendo a los ciclistas de la parte trasera del pelotón al reducir la resistencia del aire que encuentran.
Esto tiene un impacto directo en la fuerza de resistencia que siente cada ciclista.
Como esta fuerza es proporcional al cuadrado de la velocidad, podemos suponer que la resistencia que sienten los ciclistas de la parte delantera del pelotón será mayor que la que sienten los ciclistas de la parte trasera.
También se dice que los ciclistas del centro del pelotón se benefician de la succión generada por los ciclistas de la parte delantera del pelotón.
Esto puede verse en el mapa de presión que aparece a continuación. Al seguir la estela de los ciclistas de cabeza, los ciclistas del pelotón se benefician de la baja presión que hay detrás de ellos, lo que reduce el exceso de presión que ellos mismos crean.
Como resultado, la resistencia aerodinámica se reduce considerablemente para estos ciclistas. Este efecto de succión permite a los ciclistas mantener altas velocidades con menos esfuerzo, aprovechando la menor resistencia del aire.
En la práctica, la simulación CFD puede utilizarse paraoptimizar la posición de los ciclistas, elegir un equipamiento más aerodinámico y desarrollar estrategias de carrera eficaces.
En las técnicas de contrarreloj, por ejemplo, los ciclistas pueden beneficiarse de estas simulaciones ajustando su posición sobre la bici para maximizar la aerodinámica.
La simulación CFD ayuda a determinar la posición óptima, a menudo adoptando una postura más baja y alargada para minimizar el área frontal expuesta al viento.
Además, los ciclistas pueden utilizar bicicletas especialmente diseñadas para las pruebas contrarreloj, con cuadros aerodinámicos y ruedas macizas que reducen aún más la resistencia aerodinámica.
En el túnel de viento, los ciclistas prueban distintas configuraciones de equipamiento, como cascos aerodinámicos y trajes ajustados, para elegir los que ofrecen menor resistencia al aire.
La simulación CFD tiene una ventaja sobre las pruebas en túnel de viento: ahorra tiempo y dinero.
Gracias a estos ajustes basados en datos de simulación, los ciclistas pueden ahorrar preciosos segundos, o incluso minutos, en su rendimiento general.
Los equipos ciclistas también utilizan la simulación y los datos del túnel de viento para formar pelotones estratégicamente, maximizando elefecto de succión y reduciendo la resistencia colectiva.
Medir la resistencia en la simulación CFD
A continuación, evaluamos las fuerzas de resistencia aerodinámica de cada ciclista individualmente y, por tanto, las posiciones más favorables en el pelotón.
La figura siguiente resume el porcentaje de resistencia que siente un ciclista en comparación con la resistencia que siente el ciclista que encabeza el pelotón (que siente la máxima resistencia asociada al valor 100%).
En concreto, el mapa muestra el porcentaje de resistencia que siente cada ciclista del pelotón, calculado en función de la resistencia máxima que siente el ciclista que va en cabeza.
Los ciclistas situados en posiciones más favorables en el pelotón se beneficiarán de porcentajes de resistencia aerodinámica más bajos, lo que indica una reducción significativa de la resistencia al aire gracias a la protección ofrecida por los demás ciclistas.
Los ciclistas situados en el centro del pelotón tienen que realizar la mitad de esfuerzo que los que van delante.
La estrategia de posicionamiento de los ciclistas para minimizar la resistencia aerodinámica
En general, todos los ciclistas del pelotón sienten menos resistencia que el ciclista que va delante.
Cuanto más atrás está un ciclista en el pelotón, menos resistencia experimenta.
Esta tendencia también se aplica a los ciclistas del centro del pelotón, que experimentan menos resistencia que los de la periferia.
La figura anterior muestra que la zona delimitada por el círculo rojo es la más ventajosa para un ciclista al inicio de la carrera.
En esta zona, los ciclistas sólo sienten entre el 10% y el 20% de la resistencia que experimenta el líder, mientras permanecen cerca de la cabeza de carrera, lo que supone un considerable ahorro de energía al inicio de la carrera.
Sin embargo, la elección del lugar en el pelotón no se basa únicamente en consideraciones energéticas.
Cuanto más atrás esté un ciclista en el pelotón, más vulnerable será al efecto acordeón provocado por la aceleración en la parte delantera, o a posibles caídas.
Por eso los líderes del Tour de Francia prefieren permanecer en las filas delanteras, rodeados de sus compañeros de equipo.
La reducción de la resistencia aerodinámica sigue siendo muy importante allí, pero pueden reaccionar más fácilmente ante una aceleración repentina de sus rivales.
Campo de vorticidad
La vorticidad es una medida de la rotación de un fluido alrededor de un eje local.
Cuando un objeto, como un ciclista en una bicicleta, se desplaza a través de un fluido como el aire, perturba de forma natural el flujo de ese fluido.
Esta perturbación da lugar a la formación de vórtices, zonas en las que se alteran la velocidad y la dirección del fluido.
Estos vórtices generan vorticidad, una variable que caracteriza laintensidad y la localización de estas rotaciones.
La visualización del campo de vorticidad volumétrica muestra que son las bicicletas en la parte delantera de la manada las que más perturban el flujo, lo que provoca una mayor resistencia sobre ellas.
El fenómeno de los bordes en el ciclismo
Formación de abanicos: una estrategia de colaboración para contrarrestar el viento y permanecer en carrera
Para protegerse del viento cruzado, una estrategia compleja pero eficaz consiste en formar abanicos.
Un ciclista se colocará ligeramente por detrás y a un lado del ciclista que realiza el esfuerzo, protegiéndose así del viento.
Cuanto más fuerte y lateral sea el viento, más se desplazará el ciclista lateralmente para beneficiarse de esta protección.
Cuando un corredor se encuentra aislado y expuesto al viento, se dice que está«en el bordillo» oque ha sido «bordillado».
Para este ciclista, el esfuerzo se vuelve considerablemente más difícil, a menudo hasta el punto de no poder seguir el ritmo del pelotón.
La clave de esta estrategia contra el viento es formar abanicos.
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 la izquierda de la carretera.
Après avoir pris son relevose relaja, dejando que sus compañeros se beneficien de su cobijo mientras se deja caer hacia la parte trasera del grupo antes de reanudar su posición detrás del último corredor, al abrigo del viento. protegido del viento.
Ce processus se répète, assurant une rotación continua del relé y protección óptima contra el viento.
Sobrevivir al límite: el sutil arte de resguardarse del viento en grupo
Hay dos tipos de abanico: simple y doble.
El abanico simple, organizado en fila india, se utiliza para grupos pequeños, como una escapada de menos de ocho corredores o una contrarreloj por equipos.
El ciclista en cabeza se retira tras su relevo, se mantiene en contacto con la fila ascendente, rodea al último ciclista y vuelve rápidamente a la seguridad.
El doble abanico, en cambio, es más eficaz y se compone de dos líneas: una descendente y otra ascendente.
La línea descendente, formada por los corredores que han tomado el relevo, se coloca a barlovento, mientras que la línea ascendente, protegida por la descendente, se prepara para tomar el relevo.
Esta formación proporciona una protección continua a todos los corredores, ya que siempre están protegidos por la línea descendente o por el corredor que tienen delante.
Ciclistas aislados: la clave para abandonar el pelotón
La formación de doble abanico requiere la presencia de al menos diez jinetes.
En competición, un equipo puede estrechar el abanico colocando a un corredor fuerte cerca del borde de la carretera, en el lado opuesto al viento, reduciendo así el número de corredores protegidos y aumentando la dificultad para los rivales.
Cuando el viento cruzado esintenso, esta técnica puede fragmentar el pelotón, creando aristas espectaculares y decisivas en la carrera.
Los ciclistas que no consiguen insertarse correctamente en los abanicos se encuentran directamente expuestos al viento, sufriendo un drástico aumento de la resistencia aerodinámica.
Este aumento de la resistencia aerodinámica es el resultado de romper el flujo suave y continuo de aire alrededor de los ciclistas, creando turbulencias y una mayor resistencia.
Los ciclistas resguardados en el abanico se benefician de una importante reducción de la resistencia aerodinámica gracias alefecto estela y a la protección lateral que les ofrecen sus compañeros.
Por otro lado, los corredores aislados tienen que hacer un esfuerzo mucho mayor para mantener su velocidad, lo que puede llevarles a descolgarse del pelotón.
Este desequilibrio en la distribución de las fuerzas aerodinámicas puede hacer queel pelotón se rompa en varios grupos distintos, haciendo que el fenómeno de los bordes no sólo sea tácticamente crucial, sino también espectacular.
Este aspecto aerodinámico ha sido responsable de que los líderes hayan perdido Tours de Francia.
Estudio CFD de ciclistas en forma de abanico
Eolios ha estudiado la configuración de doble abanico de 8 ciclistas cuando aparece viento lateral durante una carrera.
El objetivo de este estudio es utilizar el CFD para confirmar laeficacia de la configuración del ventilador en este tipo de situaciones.
El modelo 3D de los ciclistas es el mismo que el anterior y la configuración estudiada se muestra en la figura siguiente.
La figura siguiente muestra la distribución de las velocidades del aire alrededor de los ciclistas.
Las velocidades del aire al nivel de los ciclistas protegidos son menores.
Como en el caso del pelotón clásico, los ciclistas protegidos experimentarán mucha menos resistencia.
Simulación CFD de la aerodinámica de los ciclistas en forma de abanico
Los cálculos de las fuerzas de resistencia muestran que los 6 pilotos protegidos sienten de media un 30% de la resistencia total que sientecada uno de los dos pilotos de cabeza.
Esta reducción del 70% en la resistencia demuestra que el sistema de doble ventilador es eficaz en condiciones de viento cruzado.
Al visualizar el campo volumétrico de vorticidad, podemos ver que, como en el caso del pelotón clásico, los ciclistas de cabeza son los que más perturban el flujo de aire y los más afectados por él.
Campo volumétrico de vorticidad alrededor de ciclistas en forma de abanico
Optimización del rendimiento y aerodinámica: el impacto de la simulación CFD en el ciclismo de competición
Este estudio de simulación CFD aplicada a un pelotón de ciclistas es una iniciativa deliberada deEOLIOS para ilustrar los avances tecnológicos y las aplicaciones prácticas de la CFD en el ámbito del ciclismo de competición.
Analizando aspectos cruciales como la resistencia aerodinámica y las posiciones estratégicas de los ciclistas (con fenómenos de borde, por ejemplo), hemos podido demostrar cómo estas herramientas pueden optimizar el rendimiento y ofrecer importantes ventajas competitivas durante pruebas prestigiosas como el Tour de Francia.
Con esta iniciativa, EOLIOS pretende no sólo compartir con el público en general y los aficionados al ciclismo las posibilidades que ofrece la simulación CFD, sino también fomentar una comprensión más profunda de los factores científicos y tecnológicos que influyen en este deporte.
Al aportar nuestra experiencia e innovaciones en este campo, esperamos contribuir a lamejora continua del rendimiento de los deportistas y alavance de los conocimientos enel sector del ciclismo de competición.
EOLIOS espera que este estudio inspire nuevas investigaciones y aplicaciones de la CFD en diversos campos deportivos y más allá.
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