Simulación CFD de los fenómenos aerodinámicos de un pelotón de ciclistas

Modelización CFD de las interacciones aerodinámicas en un grupo de corredores

El rendimiento de los ciclistas en un pelotón está ampliamente influido por la dinámica de fluidos que se desarrolla a su alrededor.

En carrera, los ciclistas forman grupos compactos para aprovechar el efecto de aspiración y reducir la resistencia del aire, lo que puede mejorar significativamente su eficiencia energética y su rendimiento global. Este efecto es especialmente crucial en las competiciones de alto nivel, donde el mínimo ahorro de energía puede marcar la diferencia entre la victoria y la derrota.

La comprensión de la dinámica de fluidos alrededor de un pelotón de ciclistas tiene implicaciones prácticas importantes. Las formaciones del pelotón y las posiciones relativas de los ciclistas influyen directamente en la distribución de la resistencia aerodinámica, afectando así al gasto energético individual. Por ejemplo, los ciclistas situados en cabeza del pelotón soportan generalmente una mayor resistencia del aire, mientras que los colocados detrás se benefician de una reducción significativa de esa resistencia.

Al optimizar las formaciones del pelotón y explotar las estrategias de carrera basadas en la dinámica de fluidos, los equipos pueden maximizar la eficiencia colectiva. Esto es especialmente pertinente en las carreras por etapas, las contrarrelojes por equipos y las carreras de critérium, donde la gestión de la energía es esencial para mantener un rendimiento elevado en largas distancias.

Sin embargo, a pesar de su importancia, la dinámica de fluidos alrededor de los pelotones es compleja y difícil de estudiar empíricamente debido a las numerosas variables en juego: la velocidad, la dirección del viento, la posición de los ciclistas y las interacciones aerodinámicas.

Aquí es donde las simulaciones CFD (Computational Fluid Dynamics) se convierten en una herramienta valiosa. Permiten modelizar y analizar estos fenómenos con una precisión y una flexibilidad mayores, sin las limitaciones logísticas y los costes de los ensayos en túnel de viento o sobre el terreno.

El objetivo de este estudio es aprovechar las simulaciones CFD para profundizar nuestra comprensión de la dinámica de fluidos dentro de un pelotón. Analizando distintas configuraciones y posiciones de los ciclistas, buscamos identificar las formaciones óptimas para minimizar la resistencia aerodinámica y maximizar la eficiencia energética.

Metodología de la simulación CFD para el análisis de un pelotón

La simulación CFD

Para estudiar la dinámica de fluidos alrededor de un pelotón de ciclistas, utilizamos la simulación CFD, una técnica potente que permite modelizar los flujos de aire. Ofrece la ventaja de poder explorar fácilmente diversas configuraciones y cuantificar las fuerzas aerodinámicas ejercidas sobre cada ciclista individualmente. Comparando estas fuerzas, podemos identificar las posiciones y las formaciones más eficaces en términos de reducción de la resistencia.

La simulación CFD es un método potente, pero sus límites en términos de tiempo de cálculo y de recursos informáticos pueden ser restrictivos: aquí, una semana de cálculo máximo y la ausencia de un centro de datos. Para paliar estas limitaciones, han sido necesarios compromisos como la optimización de los parámetros de simulación, tal como el uso de un mallado adaptativo, para encontrar el equilibrio entre precisión y eficiencia.

Parámetros de los estudios CFD

Para garantizar una comparación precisa de las fuerzas aerodinámicas dentro y fuera del pelotón, estandarizamos la geometría de cada ciclista. Utilizando modelos idénticos, eliminamos las variables ligadas a las diferencias individuales y centramos el análisis en el impacto de las posiciones y de las formaciones dentro del pelotón.

Esta uniformidad geométrica garantiza que las variaciones observadas en las fuerzas aerodinámicas se deben exclusivamente a las interacciones entre los ciclistas y a su disposición relativa, ofreciendo resultados más fiables y pertinentes.

Para realizar la simulación, se utilizó un modelo de alta fidelidad: el Wall-Modeled Large Eddy Simulation (WMLES). Este modelo captura los detalles de los flujos turbulentos adaptando automáticamente la resolución cerca de las paredes, teniendo en cuenta al mismo tiempo los gradientes de presión responsables de la separación de los flujos. El WMLES utiliza un modelo de viscosidad llamado Wall-Adapting Local Eddy (WALE), que garantiza una viscosidad local coherente y un comportamiento preciso cerca de las paredes, y permite afinar dinámicamente la estela a medida que el flujo se desarrolla.

La configuración estudiada es la de un pelotón de 100 ciclistas dispuestos de modo que simulen una carrera real en una carretera ancha. Este enfoque permite analizar las variaciones de las fuerzas aerodinámicas en condiciones cercanas a la realidad, a diferencia de las formaciones rígidas y alineadas, menos representativas de las dinámicas de carrera.

Medición de las fuerzas de resistencia

Retos

La medición de las fuerzas de resistencia es crucial en el ciclismo: permite cuantificar la resistencia del aire que cada ciclista debe superar. Esta resistencia aerodinámica es uno de los principales factores que limitan el rendimiento, sobre todo a velocidades elevadas. Reducir la resistencia significa un ahorro de energía significativo, que permite mantener velocidades más elevadas con menos esfuerzo.

Resistencia aerodinámica: ¿cómo influye el aire en el rendimiento?

La resistencia aerodinámica, o resistencia del aire, proviene de la interacción entre el ciclista (y su bicicleta) y el aire en movimiento. Depende de la densidad del aire ambiente, de la velocidad del ciclista, de la superficie frontal expuesta y del coeficiente de resistencia (Cd o Cx) que refleja el aerodinamismo global de la configuración ciclista-bicicleta.

La resistencia es proporcional al producto de la densidad del aire por el cuadrado de la velocidad y por la superficie frontal. El ciclista debe literalmente «empujar» todo el volumen de aire que atraviesa: reducir la densidad del aire o la superficie frontal disminuye por tanto significativamente esta resistencia.

Un ciclista que quiere reducir su resistencia puede disminuir su área frontal adoptando una posición más tumbada, estrategia habitual en las contrarrelojes. El coeficiente de resistencia depende no solo de la forma aerodinámica, sino también de los detalles del flujo del aire alrededor del corredor.

Las investigaciones muestran que el movimiento del ciclista crea una sobrepresión del aire delante de él y una depresión detrás de él, contribuyendo ambas a la resistencia. Además, el ciclista arrastra aire en movimiento sobre varios metros en su estela, complicando las interacciones para los corredores situados detrás.

Para los ciclistas en pelotón, el efecto de la resistencia se modula según su posición relativa. Con viento de frente, rodar en fila india reduce la resistencia de los corredores siguientes gracias a la reducción de las sobrepresiones y depresiones; el efecto es más pronunciado para los ciclistas situados detrás y depende de la distancia entre las ruedas y de la posición aerodinámica adoptada.

Distribución de las velocidades y de la presión mediante simulación CFD

La simulación permite mostrar los planos de distribución de las velocidades alrededor de los ciclistas. Como la fuerza de resistencia es proporcional al cuadrado de la velocidad, se identifican ya las zonas del pelotón más favorables.

La velocidad aparente del aire es de 15 m/s (es decir, 54 km/h) para el ciclista en cabeza del pelotón: soporta por tanto más resistencia que los corredores dentro del pelotón, donde las velocidades efectivas son más bajas. Las dos figuras siguientes lo visualizan en vista superior.

Los ciclistas en cabeza encuentran velocidades de aire más elevadas, mientras que los corredores más retrasados y en el interior del pelotón encuentran velocidades más bajas. Los corredores de cabeza desempeñan el papel de cortavientos, protegiendo a los situados detrás. Como la fuerza de resistencia es proporcional al cuadrado de la velocidad, la resistencia sobre los corredores de cabeza es mucho mayor que la que se siente al final del pelotón.

También se dice que los corredores del corazón del pelotón aprovechan la aspiración generada por los de cabeza. Situándose en su estela, se benefician de la depresión situada detrás de ellos, lo que reduce la sobrepresión que crean y por tanto su resistencia. Este fenómeno de aspiración les permite mantener velocidades elevadas con menos esfuerzo.

En la práctica, la CFD permite optimizar la posición de los ciclistas, elegir equipamientos más aerodinámicos y desarrollar estrategias de carrera. En contrarreloj, los corredores ajustan su posición para maximizar el aerodinamismo, a menudo adoptando una postura más baja y alargada con el fin de minimizar la superficie frontal. Utilizan bicicletas con cuadros perfilados y ruedas lenticulares, y prueban en túnel de viento cascos aerodinámicos y monos ajustados.

La CFD presenta una ventaja frente a los ensayos en túnel de viento: un ahorro de tiempo y de dinero. Gracias a estos ajustes basados en los datos de simulación, los ciclistas ganan valiosos segundos; los equipos forman también pelotones estratégicos que maximizan el efecto de aspiración y reducen la resistencia colectiva.

Medición de la resistencia sobre la simulación CFD

Evaluamos las fuerzas de resistencia sobre cada ciclista e identificamos las posiciones más favorables. El mapa siguiente muestra el porcentaje de resistencia soportado por cada corredor, comparado con el del ciclista en cabeza (resistencia máxima: 100 %).

Los ciclistas situados en posiciones favorables en el interior del pelotón se benefician de porcentajes de resistencia más bajos. Los corredores del corazón del pelotón realizan la mitad de esfuerzo que los situados en cabeza.

La estrategia de colocación para minimizar la resistencia

De manera general, todos los ciclistas soportan una resistencia menor que el corredor de cabeza. Cuanto más se coloca un ciclista en la parte trasera y en el centro del pelotón, menos expuesto está. La zona delimitada por el círculo rojo es la más ventajosa al inicio de la carrera: los corredores solo soportan ahí del 10 % al 20 % de la resistencia del líder permaneciendo cerca de la cabeza, es decir, un ahorro de energía considerable.

Sin embargo, la elección del sitio no se basa únicamente en la energía: cuanto más está un corredor en la cola del pelotón, más vulnerable es a los efectos de acordeón provocados por aceleraciones en cabeza y a las posibles caídas. Por eso los líderes del Tour de Francia prefieren permanecer en las primeras filas, rodeados de sus compañeros de equipo, para reaccionar rápido aprovechando a la vez una reducción de resistencia todavía significativa.

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, se desplaza en el aire, perturba el flujo: esta perturbación se traduce en la formación de torbellinos, zonas donde la velocidad y la dirección del fluido se modifican, que generan vorticidad.

La visualización del campo volumétrico de vorticidad muestra que son las bicicletas en cabeza del pelotón las que más perturban el flujo, de ahí una resistencia más elevada sobre estas últimas.

El fenómeno del corte (abanico) en el ciclismo

Formación de los abanicos: una estrategia colaborativa contra el viento

Para protegerse del viento lateral, una estrategia eficaz consiste en formar abanicos. Un corredor se coloca ligeramente retrasado y al lado del que realiza el esfuerzo, resguardándose así del viento. Cuanto más fuerte y lateral es el viento, más se desplaza lateralmente el corredor para beneficiarse de esta protección.

Cuando un corredor se queda aislado y expuesto al viento, se dice que está «en el corte» o que le han «dejado en el abanico». Para él, el esfuerzo se vuelve considerablemente más difícil, a menudo hasta el punto de no poder seguir al pelotón.

La clave de esta estrategia es formar abanicos. El corredor en cabeza se coloca del lado de donde proviene el viento para proteger a los que le siguen. Tras su relevo, relaja su esfuerzo, dejando que sus compañeros se beneficien de su abrigo mientras él retrocede hacia la parte trasera del grupo antes de recuperar su sitio al abrigo del viento. Este proceso asegura una rotación continua de los relevos y una protección óptima.

Sobrevivir en el corte: resguardarse del viento en grupo

Existen dos tipos de abanicos: simple y doble. El abanico simple, organizado en una sola fila, se utiliza para grupos pequeños (escapada de menos de ocho corredores, contrarreloj por equipos). El abanico doble, más eficaz, se compone de dos filas: una descendente, del lado del viento, compuesta por los corredores que han dado su relevo, y una ascendente, resguardada, que se prepara para relevar. Esta formación asegura una protección continua para todos los corredores.

Los corredores aislados: la clave del descuelgue

El abanico doble necesita al menos una decena de corredores. En competición, un equipo puede estrechar el abanico colocando a un corredor fuerte cerca del borde de la carretera, del lado opuesto al viento, reduciendo el número de corredores protegidos y aumentando la dificultad para los adversarios. Cuando el viento lateral es intenso, esta técnica puede fragmentar el pelotón creando cortes decisivos: los corredores que no logran insertarse se quedan expuestos al viento y sufren un aumento drástico de la resistencia, debido a la ruptura del flujo de aire liso y continuo.

Los corredores resguardados se benefician de una reducción significativa de la resistencia gracias al efecto de estela y a la protección lateral de sus compañeros de equipo. Los corredores aislados, en cambio, deben realizar un esfuerzo mucho mayor, lo que puede provocar su descuelgue y la fragmentación del pelotón en varios grupos. Este aspecto aerodinámico ha llegado a hacer perder Tours de Francia a algunos líderes.

Estudio CFD de ciclistas en abanico

EOLIOS estudió la configuración en abanico doble de 8 ciclistas cuando aparece un viento lateral, con el fin de confirmar mediante la CFD la eficacia de esta formación. El modelo 3D de los ciclistas es idéntico al anterior.

La distribución de las velocidades de aire muestra que los ciclistas protegidos encuentran velocidades más bajas; como en el pelotón clásico, soportan una resistencia mucho menor. El campo de vorticidad confirma que los corredores de cabeza son los que más perturban el flujo.

Optimización del rendimiento: el impacto de la CFD en el ciclismo de competición

Este estudio de simulación CFD aplicado a un pelotón constituye una iniciativa voluntaria de EOLIOS para ilustrar los avances tecnológicos y las aplicaciones concretas de la CFD en el ciclismo de competición. Analizando la resistencia aerodinámica y las posiciones estratégicas de los corredores (con, por ejemplo, los fenómenos de corte), hemos mostrado cómo estas herramientas optimizan el rendimiento en eventos como el Tour de Francia.

Con esta iniciativa, EOLIOS desea compartir con el gran público y los aficionados al ciclismo las posibilidades que ofrece la simulación CFD, y fomentar una comprensión más profunda de los factores científicos y tecnológicos que influyen en este deporte.

EOLIOS espera que este estudio inspire nuevas investigaciones y aplicaciones de la CFD en diversos ámbitos deportivos y más allá.