CFD-simulatie van de aerodynamische verschijnselen in een wielerpeloton

CFD-modellering van de aerodynamische wisselwerking in een groep renners

De prestatie van wielrenners in een peloton wordt in hoge mate bepaald door de stromingsdynamiek die zich rond hen ontwikkelt.

In koers vormen de wielrenners compacte groepen om te profiteren van het stayereffect en de luchtweerstand te verlagen, wat hun energetisch rendement en hun algemene prestaties aanzienlijk kan verbeteren. Dat effect is bijzonder cruciaal in wedstrijden op hoog niveau, waar de kleinste energiebesparing het verschil kan maken tussen overwinning en de nederlaag.

De begrip van de stromingsdynamiek rond een wielerpeloton heeft belangrijke praktische gevolgen. De formaties van het peloton en de onderlinge posities van de renners bepalen rechtstreeks de verdeling van de luchtweerstand, en daarmee het individuele energieverbruik. Zo ondervinden de renners aan de kop van het peloton doorgaans een grotere luchtweerstand, terwijl wie erachter rijdt een aanzienlijke verlaging van die weerstand.

Door de formaties van het peloton te optimaliseren en de koersstrategieën op de stromingsdynamiek te baseren, kunnen de ploegen het collectieve rendement maximaliseren. Dat is bijzonder van belang in etappekoersen, de ploegentijdritten en de criteriums, waar het beheer van de energie essentieel is om over lange afstanden hoge prestaties vol te houden.

Ondanks het belang ervan is de stromingsdynamiek rond pelotons echter complex en moeilijk empirisch te onderzoeken, door de vele variabelen die meespelen: de snelheid, de windrichting, de positie van de renners en de aerodynamische wisselwerking.

Hier komen de CFD-simulaties (Computational Fluid Dynamics) van pas. Zij maken het mogelijk deze verschijnselen te modelleren en konden de analyseren met grotere nauwkeurigheid en flexibiliteit, zonder de logistieke beperkingen en de kosten van windtunnelproeven of op de weg.

Het doel van deze studie is de CFD-simulaties te benutten om ons begrip van de stromingsdynamiek binnen een peloton te verdiepen. Door verschillende configuraties en posities van de renners te analyseren, willen wij de optimale formaties bepalen om de luchtweerstand te minimaliseren en het energetisch rendement te maximaliseren.

Methodologie van de CFD-simulatie voor de analyse van een peloton

CFD-simulatie

Om de stromingsdynamiek rond een wielerpeloton te onderzoeken hebben wij de CFD-simulatie gebruikt, een krachtige techniek om luchtstromingen te modelleren. Zij biedt het voordeel dat verschillende configuraties eenvoudig kunnen worden verkend en de aerodynamische krachten kunnen worden gekwantificeerd die op elke renner afzonderlijk werken. Door deze krachten te vergelijken kunnen wij de posities en de meest doeltreffende formaties bepalen wat de verlaging van de weerstand betreft.

CFD-simulatie is een krachtige methode, maar haar grenzen op het vlak van rekentijd en rekencapaciteit kunnen beperkend zijn: hier maximaal een week rekenen en geen datacenter. Om die beperkingen te ondervangen waren compromissen nodig, zoals het optimaliseren van de simulatieparameters, bijvoorbeeld met een adaptief rekenrooster, om het evenwicht te vinden tussen nauwkeurigheid en doelmatigheid.

Parameters van de CFD-studies

Om een nauwkeurige vergelijking van de aerodynamische krachten binnen en buiten het peloton te waarborgen, hebben wij de geometrie gestandaardiseerd van elke renner. Door identieke modellen te gebruiken hebben wij de variabelen door individuele verschillen uitgesloten en de analyse gericht op de invloed van de posities en formaties binnen het peloton.

Deze geometrische uniformiteit waarborgt dat de vastgestelde verschillen in de aerodynamische krachten uitsluitend voortkomen uit de wisselwerking tussen de renners en hun onderlinge opstelling, wat betrouwbaarder en relevantere resultaten.

oplevert. Voor de simulatie is een model met hoge nauwkeurigheid gebruikt: de Wall-Modeled Large Eddy Simulation (WMLES). Dit model vat de details van de turbulente stromingen door de resolutie nabij de wanden automatisch aan te passen, en houdt tegelijk rekening met de hoge drukgradiënten die de loslating van de stroming veroorzaken. WMLES gebruikt een viscositeitsmodel dat Wall-Adapting Local Eddy (WALE) heet, dat een consistente plaatselijke viscositeit en nauwkeurig gedrag nabij de wanden verzekert en het mogelijk maakt het zog dynamisch te verfijnen naarmate de stroming zich ontwikkelt.

te onderzoeken. De onderzochte configuratie is een peloton van 100 renners die zo zijn opgesteld dat zij een werkelijke koers nabootsen op een brede weg. Met deze aanpak kunnen de verschillen in de aerodynamische krachten worden geanalyseerd onder omstandigheden die de werkelijkheid benaderen, anders dan bij starre, uitgelijnde formaties die de koersdynamiek minder goed weergeven.

Meting van de weerstandskrachten

Belang

De meting van de weerstandskrachten is cruciaal in het wielrennen: zij maakt het mogelijk de luchtweerstand te kwantificeren die elke renner moet overwinnen. Die luchtweerstand is een van de belangrijkste factoren die de prestatie beperken, vooral bij hoge snelheden. De weerstand verlagen betekent een aanzienlijke energiebesparing, waardoor hogere snelheden met minder inspanning kunnen worden volgehouden.

Luchtweerstand: hoe beïnvloedt de lucht de prestatie?

De luchtweerstand komt voort uit de interactie tussen de renner (en zijn fiets) en de bewegende lucht. Zij hangt af van de dichtheid van de omgevingslucht, van de snelheid van de renner, van de blootgestelde frontale oppervlakte en weerstandscoëfficiënt (Cd of Cx), die de algemene aerodynamica van de combinatie renner-fiets weergeeft.

De weerstand is proportioneel met het product van de luchtdichtheid en het kwadraat van de snelheid en met de frontale oppervlakte. De renner moet letterlijk alle luchtvolume wegduwen die hij doorkruist: de luchtdichtheid of de frontale oppervlakte verlagen vermindert die weerstand dus aanzienlijk.

Een renner die zijn weerstand wil verlagen kan zijn frontale oppervlakte verkleinen door een meer liggende positie aan te nemen, een gangbare strategie in tijdritten. De weerstandscoëfficiënt hangt niet alleen af van de aerodynamische vorm, maar ook van de details van de luchtstroming rond de renner.

Onderzoek laat zien dat de beweging van de renner overdruk vóór hem en onderdruk achter hem veroorzaakt, die beide aan de weerstand bijdragen. Bovendien neemt de renner lucht mee over meerdere meters in zijn zog, wat de wisselwerking voor de renners erachter complexer maakt.

Voor renners in een peloton wordt het weerstandseffect bepaald door hun onderlinge positie. Bij tegenwind verlaagt rijden in één rij de weerstand van de volgende renners door de vermindering van over- en onderdruk; het effect is uitgesprokener voor de renners die verder achteraan rijden en hangt af van de afstand tussen de wielen en de aerodynamische positie die wordt aangenomen.

Verdeling van snelheden en druk met CFD-simulatie

De simulatie maakt het mogelijk de vlakken met de snelheidsverdeling rond de renners weer te geven. Omdat de weerstandskracht proportioneel is met kwadraat van de snelheid, zijn de gunstigste zones van het peloton.

De schijnbare luchtsnelheid is de 15 m/s (dus 54 km/u) voor de renner aan de kop van het peloton: hij ondervindt dus meer weerstand dan de renners binnen het peloton, waar de effectieve snelheden lager zijn. De twee onderstaande figuren tonen dat in bovenaanzicht.

De renners aan de kop ondervinden hogere luchtsnelheden, terwijl de renners die verder achteraan en binnen het peloton rijden lagere snelheden ondervinden. De kopmannen werken als windschermen en beschermen wie achter hen rijdt. Omdat de weerstandskracht proportioneel is met het kwadraat van de snelheid, is de weerstand op de kopmannen veel groter dan die achteraan in het peloton.

Men zegt ook dat de renners in het hart van het peloton van het stayeren profiteren dat de kopmannen opwekken. Door zich in hun zog te plaatsen genieten zij de onderdruk achter hen, waardoor de overdruk die zij opwekken en dus hun weerstand afneemt. Dit stayereffect laat hen hoge snelheden volhouden met minder inspanning.

In de praktijk maakt CFD het mogelijk de positie van de renners te optimaliseren, aerodynamischer materiaal te kiezen en koersstrategieën te ontwikkelen. In tijdritten stellen de renners hun positie bij om de aerodynamica te maximaliseren, vaak met een lagere en meer gestrekte houding om de frontale oppervlakte te minimaliseren. Zij gebruiken fietsen met geprofileerde frames en schijfwielen, en testen in de windtunnel aerodynamische helmen en nauwsluitende pakken.

CFD heeft een voordeel ten opzichte van windtunnelproeven: een besparing van tijd en geld. Dank zij deze bijstellingen op basis van simulatiegegevens winnen de renners kostbare seconden; de ploegen vormen ook strategische formaties die het stayereffect maximaliseren en de collectieve weerstand verlagen.

Meting van de weerstand in de CFD-simulatie

Wij hebben de weerstandskrachten beoordeeld op elke renner en de gunstigste posities bepaald. De onderstaande kaart toont het weerstandspercentage dat elke renner ondervindt, vergeleken met dat van de kopman (maximale weerstand: 100 %).

De renners op gunstige posities binnen het peloton genieten lagere weerstandspercentages. De renners in het hart van het peloton leveren half zo veel inspanning als wie aan de kop rijdt.

De plaatsingsstrategie om de weerstand te minimaliseren

In het algemeen ondervinden alle renners minder weerstand dan de kopman. Hoe verder een renner achteraan en in het midden van het peloton rijdt, hoe minder hij is blootgesteld. De zone binnen de rode cirkel is aan het begin van de koers het voordeligst: de renners ondervinden er slechts 10 % tot 20 % van de weerstand van de kopman en blijven toch dicht bij de kop, wat een aanzienlijke energiebesparing.

oplevert. De keuze van de plaats hangt echter niet alleen van de energie af: hoe verder een renner achteraan in het peloton rijdt, hoe kwetsbaarder hij is voor het harmonica-effect door versnellingen aan de kop en voor mogelijke valpartijen. Daarom blijven de kopmannen in de Tour de France liever in de voorste rijen, omringd door hun ploeggenoten, om snel te kunnen reageren en toch een nog aanzienlijke verlaging van de weerstand te genieten.

Vorticiteitsveld

De vorticiteit is een maat voor de rotatie van een fluïdum rond een plaatselijke as. Wanneer een voorwerp, zoals een renner, zich door de lucht beweegt, verstoort het de stroming: die verstoring uit zich in de vorming van wervels, zones waar de snelheid en de richting van het fluïdum veranderen en die vorticiteit opwekken.

De weergave van het volumetrische vorticiteitsveld laat zien dat de fietsen aan de kop van het peloton de stroming het sterkst verstoren, wat een hogere weerstand op hen oplevert.

Het waaierverschijnsel in het wielrennen

Waaiers vormen: een strategie van samenwerking tegen de wind

Om zich tegen zijwind te beschermen is het doeltreffend waaiers te vormen. Een renner plaatst zich iets achter en naast degene die de inspanning levert, en beschut zich zo tegen de wind. Hoe sterker en zijdelingser de wind is, hoe verder de renner zich zijwaarts plaatst om die beschutting te benutten.

Wanneer een renner geïsoleerd en aan de wind blootgesteld raakt, zegt men dat hij «in de waaier » rijdt of dat hij «uit de waaier is gereden ». Voor hem wordt de inspanning aanzienlijk zwaarder, vaak tot hij het peloton niet meer kan volgen.

De sleutel van deze strategie is het vormen van waaiers. De kopman plaatst zich aan de kant waar de wind vandaan komt om wie hem volgt te beschermen. Na zijn kopbeurt laat hij zijn inspanning verminderen, waardoor zijn ploeggenoten van zijn beschutting genieten terwijl hij naar de achterkant van de groep terugzakt om daarna zijn plaats uit de wind weer in te nemen. Dit proces zorgt voor een doorlopende afwisseling van de kopbeurten en een optimale beschutting.

Overleven in de waaier: samen uit de wind blijven

Er zijn twee soorten waaiers: enkele en dubbele. De enkele waaier, in één rij, wordt gebruikt voor kleine groepen (ontsnapping van minder dan acht renners, ploegentijdrit). De dubbele waaier, die doeltreffender is, bestaat uit twee rijen: een terugzakkende rij aan de windzijde met de renners die hun kopbeurt hebben gedaan, en een opschuivende rij uit de wind die zich klaarmaakt om op kop te gaan. Deze formatie zorgt voor een doorlopende beschutting voor alle renners.

Geïsoleerde renners: de sleutel tot het lossen

De dubbele waaier vereist ten minste een tiental renners. In wedstrijd kan een ploeg de waaier vernauwen door een sterke renner dicht bij de wegrand te plaatsen, aan de zijde tegenover de wind, waardoor het aantal beschutte renners afneemt en het voor de tegenstanders zwaarder wordt. Wanneer de zijwind krachtig is, kan die techniek het peloton in stukken breken door beslissende waaiers te vormen: de renners die er niet in slagen zich in te voegen, komen in de wind en ondervinden een drastische toename van de weerstand, door het wegvallen van de vlakke en doorlopende luchtstroom.

De beschutte renners genieten een aanzienlijke verlaging van de weerstand dank zij het zogeffect en de zijdelingse beschutting van hun ploeggenoten. De geïsoleerde renners moeten een veel grotere inspanning leveren, wat kan leiden tot hun lossen en het uiteenvallen van het peloton in verschillende groepen. Dit aerodynamische aspect heeft kopmannen al Tours de France doen verliezen.

CFD-studie van renners in een waaier

EOLIOS heeft de opstelling in een dubbele waaier van 8 renners onderzocht bij opkomende zijwind, om de doeltreffendheid van deze formatie met CFD te bevestigen. Het 3D-model van de renners is hetzelfde als hiervoor.

De verdeling van de luchtsnelheden laat zien dat de beschutte renners lagere snelheden ondervinden; net als in het klassieke peloton ondergaan zij een veel lagere weerstand. Het vorticiteitsveld bevestigt dat de kopmannen de stroming het sterkst verstoren.

Prestaties optimaliseren: de invloed van CFD in het wedstrijdwielrennen

Deze studie met CFD-simulatie toegepast op een peloton is een eigen initiatief van EOLIOS om de technologische vooruitgang en de concrete toepassingen van CFD in het wedstrijdwielrennen te illustreren. Door de luchtweerstand en de strategische posities van de renners te analyseren (met bijvoorbeeld de waaiers), hebben wij laten zien hoe deze instrumenten de prestaties optimaliseren bij evenementen als de Tour de France.

Met dit initiatief wil EOLIOS met het brede publiek en de wielerliefhebbers de mogelijkheden van CFD-simulatie delen en een diepgaander begrip van de wetenschappelijke en technologische factoren die deze sport beïnvloeden aanmoedigen.

EOLIOS hoopt dat deze studie nieuw onderzoek zal inspireren en nieuwe toepassingen van CFD in verschillende sportdomeinen en daarbuiten.