Simulation CFD des phénomènes aérodynamiques d’un peloton de cyclistes
Impact des variations de la position des coureurs sur les interactions aérodynamiques dans le peloton
La performance des cyclistes dans un peloton est largement influencée par la dynamique des fluides qui se développe autour d’eux. En course, les cyclistes forment des groupes compacts pour profiter de l’effet d’aspiration et réduire la résistance de l’air, ce qui peut significativement améliorer leur efficacité énergétique et leurs performances globales. Cet effet est particulièrement crucial dans les compétitions de haut niveau, où la moindre économie d’énergie peut faire la différence entre la victoire et la défaite.
Nos projets Data Center : Air & Vent
Modélisation CFD des interactions aérodynamiques dans un groupe de coureurs
La performance des cyclistes dans un peloton est largement influencée par la dynamique des fluides qui se développe autour d’eux.
En course, les cyclistes forment des groupes compacts pour profiter de l’effet d’aspiration et réduire la résistance de l’air, ce qui peut significativement améliorer leur efficacité énergétique et leurs performances globales. Cet effet est particulièrement crucial dans les compétitions de haut niveau, où la moindre économie d’énergie peut faire la différence entre la victoire et la défaite.
La compréhension de la dynamique des fluides autour d’un peloton de cyclistes a des implications pratiques majeures. Les formations de peloton et les positions relatives des cyclistes influencent directement la distribution de la traînée aérodynamique, impactant ainsi la dépense énergétique individuelle. Par exemple, les cyclistes situés en tête du peloton subissent généralement une plus grande résistance de l’air, tandis que ceux placés derrière bénéficient d’une réduction significative de cette traînée.
En optimisant les formations de peloton et en exploitant les stratégies de course basées sur la dynamique des fluides, les équipes de cyclistes peuvent maximiser l’efficacité collective. Cela est particulièrement pertinent dans les courses par étapes, les contre-la-montre par équipes, et les courses de critérium, où la gestion de l’énergie est essentielle pour maintenir des performances élevées sur de longues distances.
Cependant, malgré son importance, la dynamique des fluides autour des pelotons de cyclistes est complexe et difficile à étudier empiriquement en raison des nombreuses variables en jeu, telles que la vitesse, la direction du vent, la position des cyclistes, et les interactions aérodynamiques.
C’est ici que les simulations CFD (Computational Fluid Dynamics) deviennent un outil précieux. Elles permettent de modéliser et d’analyser ces phénomènes avec une précision et une flexibilité accrue, sans les contraintes logistiques et les coûts des essais en soufflerie ou sur le terrain.
L’objectif de cette étude est de tirer parti des simulations CFD pour approfondir notre compréhension de la dynamique des fluides au sein d’un peloton de cyclistes. En analysant différentes configurations et positions des cyclistes, nous visons à identifier les formations optimales pour minimiser la traînée aérodynamique et maximiser l’efficacité énergétique.
Méthodologie de la simulation CFD pour l'analyse aérodynamique d'un peloton de cyclistes
La simulation CFD
Pour étudier la dynamique des fluides autour d’un peloton de cyclistes, nous avons utilisé la simulation CFD(Computational Fluid Dynamics), une technique puissante permettant de modéliser les écoulements d’air de manière précise et détaillée. La CFD est une méthode numérique pour analyser les mouvements de fluides en résolvant des équations aux dérivées partielles.
Elle offre l’avantage de pouvoir explorer facilement diverses configurations et de quantifier les forces aérodynamiques exercées sur chaque cycliste individuellement. En comparant ces forces, nous pouvons identifier les positions et les formations les plus efficaces en termes de réduction de la traînée.
La simulation CFD est une méthode puissante pour étudier les écoulements d’air autour d’un peloton de cyclistes, offrant la capacité d’analyser précisément les forces aérodynamiques. Cependant, ses limites en termes de temps de calcul et de ressources informatiques peuvent être contraignantes, notamment avec une semaine de calcul maximum et l’absence d’un data center. Pour pallier ces limitations, des compromis tels que l’optimisation des paramètres de simulation, comme l’utilisation d’un maillage adaptatif (détaillé à la fin de l’article), ont été nécessaires pour trouver un équilibre entre précision et efficacité dans nos études.
Paramètres des études CFD
Pour assurer une comparaison précise des effets des forces aérodynamiques à l’intérieur et à l’extérieur du peloton, nous avons standardisé la géométrie de chaque cycliste dans notre étude. En utilisant des modèles identiques pour chaque cycliste, nous avons éliminé les variables liées aux différences individuelles, ce qui nous permet de focaliser uniquement sur l’impact des positions et des formations au sein du peloton.
Cette uniformité géométrique garantit que les variations observées dans les forces aérodynamiques sont exclusivement dues aux interactions entre les cyclisteset leur disposition relative, offrant ainsi des résultats plus fiables et pertinents pour étudier les positions favorables à la réduction de la traînée.
Pour réaliser la simulation de votre peloton de cyclistes, un modèle de simulation avancé, le Wall-Modeled Large Eddy Simulation (WMLES), a été utilisé. Ce modèle de haute fidélité permet de capturer les détails des écoulements turbulents en adaptant automatiquement la résolution près des parois, tout en tenant compte des gradients de pression responsables de la séparation des écoulements, cruciaux pour les analyses aérodynamiques. Le WMLES utilise un modèle de viscosité appelé Wall-Adapting Local Eddy (WALE), qui assure une viscosité locale cohérente et un comportement précis près des parois. Cette méthode permet d’affiner dynamiquement le sillage au fur et à mesure que l’écoulement se développe, garantissant une modélisation précise et stable des phénomènes aérodynamiques complexes entourant les cyclistes.
Plusieurs recherches ont déjà examiné la dynamique des fluides autour d’un peloton de cyclistes, telles que The Peloton Project par le Professeur Bert Blocken de la Eindhoven University of Technology. Cependant, ces études négligent souvent la nature non uniforme de la disposition des cyclistes au sein du peloton. En d’autres termes, les cyclistes ne sont pas arrangés de manière régulière ou cartésienne, alignés les uns avec les autres. Par conséquent, il est nécessaire d’étudier une configuration plus réaliste, prenant en compte cette variabilité dans la disposition des cyclistes.
La configuration étudiée est celle d’un peloton de 100 cyclistes disposés de sorte à simuler une course réelle sur une route large. Cette approche permet d’analyser les variations des forces aérodynamiques dans des conditions plus proches de la réalité, contrairement à des formations rigides et alignées qui seraient moins représentatives des dynamiques de course.
Mesure des forces de trainées
Enjeux
La mesure des forces de traînée est cruciale dans le monde du cyclisme car elle permet de quantifier la résistance de l’air que chaque cycliste doit surmonter en roulant. Cette résistance aérodynamique est l’un des principaux facteurs limitant la performance, surtout à des vitesses élevées. En course, réduire la traînée signifie une économie d’énergie significative, permettant aux cyclistes de maintenir des vitesses plus élevées avec moins d’effort, ce qui est essentiel pour des performances optimales sur de longues distances.
Traînée aérodynamique : comment l'air influence la performance ?
La traînée aérodynamique, ou résistance de l’air, est une force déterminée par plusieurs facteurs et influence de manière significative la performance d’un cycliste. Cette force provient de l’interaction entre le cycliste (et son vélo) et l’air en mouvement autour de lui. Elle dépend de la densité de l’air ambiant, de la vitesse du cycliste, de la surface frontale exposée à l’écoulement d’air, ainsi que du coefficient de traînée (Cd ou Cx) qui reflète l’aérodynamisme global de la configuration cycliste-vélo.
D’un point de vue quantitatif, l’expression de la traînée aérodynamique montre qu’elle est proportionnelle au produit de la masse volumique de l’air par le carré de la vitesse du cycliste et par la surface frontale qu’il présente. En d’autres termes, le cycliste doit littéralement « pousser » et mettre en mouvement tout le volume d’air qu’il traverse. Par conséquent, réduire la densité de l’air ou la surface frontale peut significativement diminuer cette traînée.
Un cycliste qui veut réduire sa traînée peut diminuer son aire frontale en adoptant une position plus couchée sur le vélo, une stratégie couramment utilisée par les professionnels lors des contre-la-montre. Le coefficient de traînéedépend non seulement de la forme aérodynamique du cycliste et de son vélo, mais également des détails de l’écoulement de l’air autour d’eux.
Les recherches montrent que le mouvement du cycliste crée une surpression de l’air devant lui et une dépression derrière lui, les deux phénomènes contribuant à la traînée. De plus, le cycliste entraîne de l’air en mouvement sur plusieurs mètres dans son sillage, ce qui complexifie davantage les interactions aérodynamiques pour les coureurs en aval.
Pour les cyclistes en peloton, l’effet de la traînée est modulé par leur position relative dans le groupe. Pour un vent de face, rouler en file indienne, par exemple, réduit la traînée subie par les cyclistes suivants grâce à la réduction des surpressions et dépressions. L’effet est plus prononcé pour les cyclistes situés derrière, et il dépend également de la distance entre les roues et de la position aérodynamique adoptée.
Plan vertical de répartition des vitesses autour du peloton
Distribution des vitesses et de la pression autour des cyclistes par simulation CFD
La simulation permet d’afficher les plans de répartition des vitesses autour des cyclistes. La force de traînée étant proportionnelle au carré de la vitesse, on peut déjà repérer les zones du peloton les plus favorables.
La vitesse apparente de l’air est de 15 m/s (soit 54 km/h) pour le cycliste se trouvant en tête du peloton, il va donc ressentir plus de traînée que les cyclistes se trouvant au sein du peloton. En effet, on peut voir qu’au sein même du peloton, les vitesses effectives sont plus faibles, réduisant donc la traînée sur les cyclistes s’y trouvant. Les deux figures ci-dessous permettent de mieux visualiser cette affirmation avec des vitesses d’air et des répartitions de pression en vue de dessus du peloton.
La figure ci-dessus montre que les cyclistes en tête du peloton rencontrent des vitesses d’air plus élevées. Au contraire, les cyclistes plus en retrait et à l’intérieur du peloton rencontrent des vitesses d’air plus faible. En effet, les cyclistes en tête jouent le rôle d’un brise-vent, protégeant les cyclistes situés à l’arrière du peloton en réduisant la résistance de l’air qu’ils rencontrent. Ceci aura une répercussion directe sur la force de trainée ressentie individuellement par chaque cycliste. En effet, cette force étant proportionnelle au carré de la vitesse, on peut intuiter que la trainée sur les coureurs en tête du peloton sera plus importante que celle ressentie par les cyclistes en fin de peloton.
On dit également que les cyclistes du cœur du peloton profitent de l’aspiration générée par les cyclistes en tête du peloton. C’est ce qu’on peut voir sur le plan de pression ci-dessous. En se calant dans le sillage des coureurs en tête, les cyclistes du peloton bénéficient de la dépression située derrière ces derniers, ce qui réduit la surpression qu’ils créent eux-mêmes. Ainsi, la traînée aérodynamique est considérablement réduite pour ces cyclistes. Ce phénomène d’aspiration permet aux cyclistes de maintenir des vitesses élevées avec moins d’effort, en profitant de la réduction de la résistance de l’air.
Dans la pratique, la simulation CFD permet d’optimiser la position des cyclistes, de choisir des équipements plus aérodynamiques, et de développer des stratégies de course efficaces. Dans les techniques contre la montre, par exemple, les cyclistes peuvent bénéficier de ces simulations en ajustant leur position sur le vélo pour maximiser l’aérodynamisme.
La simulation CFD aide à déterminer la position optimale, souvent en adoptant une posture plus basse et plus allongée, afin de minimiser la surface frontale exposée au vent. De plus, les cyclistes peuvent utiliser des vélos spécialement conçus pour les contre-la-montre, avec des cadres profilés et des roues pleines qui réduisent davantage la traînée. En soufflerie, les cyclistes testent différentes configurations d’équipements, comme les casques aérodynamiques et les combinaisons moulantes, pour choisir ceux qui offrent le moins de résistance à l’air.
A noter que la simulation CFD présente un avantage face aux essais en soufflerie : un gain de temps et d’argent. Grâce à ces ajustements basés sur les données de simulation, les cyclistes peuvent gagner de précieuses secondes, voire minutes, sur leurs performances globales. Les équipes de cyclistes utilisent également les données de simulation et de souffleriepour former des pelotons de manière stratégique, maximisant l’effet d’aspiration et réduisant la traînée collective.
Mesure de la trainée sur la simulation CFD
Dans la suite on a évalué les forces de traînée sur chaque cycliste individuellement et donc les positions les plus favorables dans le peloton. La figure ci-dessous résume le pourcentage de traînée ressenti par un cycliste comparée à la traînée ressentie par le cycliste en tête du peloton (qui lui ressent la traînée maximale associée à la valeur 100%).
Concrètement, la carte présentée montre le pourcentage de traînée ressenti par chaque cycliste du peloton, calculé en fonction de la traînée maximale ressentie par le cycliste en tête. Ainsi, les cyclistes situés dans des positions plus favorables à l’intérieur du peloton bénéficieront de pourcentages de traînée plus faibles, indiquant une réduction significative de la résistance de l’air grâce à la protection offerte par les autres cyclistes. Les cyclistes du cœur du peloton ont à fournir moitié moins d’efforts que ceux situés en tête.
La stratégie de placement des cyclistes pour minimiser la traînée
De manière générale, tous les cyclistes du peloton ressentent une traînée moindre par rapport à celle subie par le cycliste en tête. Plus un cycliste est placé à l’arrière du peloton, moins il est exposé à des forces de traînée élevées. Cette tendance s’applique également aux cyclistes situés au centre du peloton, qui ressentent moins de traînée que ceux placés en périphérie. La figure ci-dessus montre que la zone délimitée par le cercle rouge est la plus avantageuse pour un cycliste en début de course. Dans cette zone, les cyclistes ne ressentent que 10% à 20% de la traînée subie par le leader, tout en restant proches de la tête de course, ce qui permet une économie d’énergie considérable au début de la course.
Cependant, le choix de la place dans le peloton ne se base pas uniquement sur des considérations énergétiques. Plus un cycliste se trouve en queue de peloton, plus il est vulnérable aux effets d’accordéon provoqués par des accélérations en tête ou aux éventuelles chutes. C’est pourquoi les leaders du Tour de France préfèrent rester dans les premiers rangs, entourés de leurs équipiers. La réduction de traînée y est encore très significative mais ils peuvent plus facilement réagir à une accélération soudaine des adversaires.
Champ de vorticité
La vorticité est une mesure de la rotation d’un fluide autour d’un axe local. Lorsqu’un objet, comme un cycliste sur un vélo, se déplace à travers un fluide tel que l’air, il perturbe naturellement l’écoulement de ce fluide.
Cette perturbation se traduit par la formation de tourbillons, des zones où la vitesse et la direction du fluide sont modifiées. Ces tourbillons génèrent de la vorticité, une grandeur qui caractérise l’intensité et la localisation de ces rotations.
L’affichage du champ volumétrique de vorticité ci-dessous permet de voir que ce sont les vélos en tête du peloton qui perturbent le plus l’écoulement, d’où une traînée plus élevée sur ces derniers.
Le phénomène de bordure en cyclisme
Formation des éventails : une stratégie collaborative pour contrer le vent et rester dans la course
Pour se protéger du vent latéral, une stratégie complexe mais efficace consiste à former des éventails. Un coureur va se positionner légèrement en retrait et sur le côté du coureur qui produit l’effort, s’abritant ainsi du vent. Plus le vent est fort et latéral, plus le coureur se déplace latéralement pour bénéficier de cette protection.
Lorsqu’un coureur se retrouve isolé et exposé au vent, on dit qu’il est « dans la bordure » ou qu’il s’est « fait bordurer« . Pour ce coureur, l’effort devient alors considérablement plus difficile, souvent au point de ne plus pouvoir suivre le peloton.
La clé de cette stratégie contre le vent est de former des éventails. 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 gauche de la route. Après avoir pris son relais, il relâche son effort, laissant ses coéquipiers bénéficier de son abri pendant qu’il redescend vers l’arrière du groupe avant de reprendre sa place en retrait du dernier coureur, à l’abri du vent. Ce processus se répète, assurant une rotation continue des relais et une protection optimale contre le vent.
Survivre dans la bordure : l'art subtil de s'abriter du vent en groupe
Il existe deux types d’éventails : simple et double. L’éventail simple, organisé en une seule file, est utilisé pour des petits groupes, comme une échappée de moins de huit coureurs ou un contre-la-montre par équipe. Le coureur en tête relâche son effort après son relais, reste au contact de la file montante, contourne le dernier coureur et se remet rapidement à l’abri.
L’éventail double, en revanche, est plus efficace et se compose de deux files : une descendante et une montante. La file descendante, composée des coureurs ayant pris leur relais, se positionne du côté du vent, tandis que la file montante, abritée par la file descendante, se prépare à prendre le relais. Cette formation assure une protection continue pour tous les coureurs, car ils sont toujours abrités par la file descendante ou par le coureur devant eux.
Les coureurs isolés : la clé du décrochage du peloton
La formation en éventail double nécessite au moins une dizaine de coureurs pour être mise en place. En compétition, une équipe peut resserrer l’éventail en plaçant un coureur fort près du bord de la route, du côté opposé au vent, réduisant ainsi le nombre de coureurs protégés et augmentant la difficulté pour les adversaires. Lorsque le vent latéralest intense, cette technique peut fragmenter le peloton, créant des bordures spectaculaires et décisives dans la course. En effet, les cyclistes qui ne parviennent pas à s’insérer correctement dans les éventails se retrouvent directement exposés au vent, subissant une augmentation drastique de la traînée aérodynamique. Cette augmentation de la traînée découle de la rupture du flux d’air lisse et continu autour des cyclistes, engendrant des turbulences et une résistance accrue.
Les coureurs abrités dans l’éventail bénéficient d’une réduction significative de la traînée grâce à l’effet de sillage et à la protection latérale offerte par leurs coéquipiers. En revanche, les coureurs isolés doivent fournir un effort beaucoup plus important pour maintenir leur vitesse, ce qui peut entraîner leur décrochage du peloton. Ce déséquilibre dans la répartition des forces aérodynamiques peut provoquer l’éclatement du peloton en plusieurs groupes distincts, rendant le phénomène de bordure non seulement tactiquement crucial mais aussi spectaculaire. Cet aspect aérodynamique a pu faire perdre des Tours de France à des leaders.
Etude CFD de cyclistes en éventail
Eolios a étudié la configuration en éventail double de 8 cyclistes lorsque qu’un vent de côté apparaît lors d’une course. Le but de cette étude est de confirmer par la CFD, l’efficacité de la configuration en éventail dans ce genre de situation.
Le modèle 3D des cyclistes est le même que précédemment et la configuration étudiée est présentée sur la figure ci-dessous.
La figure ci-dessous montre la répartition des vitesses d’air autour des cyclistes. Les vitesses d’air au niveau des cyclistes protégés sont plus faibles. Comme précédemment dans le cas du peloton classique, les cyclistes protégés subiront une traînée beaucoup moins importante.
Simulation CFD de l'aérodynamique de cyclistes en éventail
Les calculs des forces de traînée montrent que les 6 cyclistes protégés ressentent en moyenne 30% de la traînée totaleressentie par chacun des deux cyclistes en tête. Cette diminution de 70% de la traînée prouve que le système d’éventail double est bien efficace dans le cas de vents de travers.
En affichant le champ volumétrique de vorticité, on voit que comme dans le cas du peloton classique, les cyclistes en tête perturbent le plus l’écoulement d’air et sont le plus impactés par ce dernier.
Champ volumétrique de vorticité autour des cyclistes en éventail
Optimisation des performances et aérodynamisme : l'impact de la simulation CFD dans le cyclisme de compétition
Cette étude sur la simulation CFD appliquée à un peloton de cyclistes constitue une démarche volontaire de la part d’EOLIOS pour illustrer les avancées technologiques et les applications concrètes de la CFD dans le domaine du cyclisme de compétition. En analysant des aspects cruciaux tels que la traînée aérodynamique et les positions stratégiques des coureurs (avec par exemple les phénomènes de bordure), nous avons pu démontrer comment ces outils peuvent optimiser les performances et offrir des avantages compétitifs significatifs lors d’événements prestigieux comme le Tour de France.
Par cette initiative, EOLIOS souhaite non seulement partager avec le grand public et les passionnés de cyclisme les possibilités offertes par la simulation CFD, mais aussi encourager une compréhension plus approfondie des facteurs scientifiques et technologiques qui influencent ce sport. En apportant notre expertise et nos innovations dans ce domaine, nous espérons contribuer à l’amélioration continue des performances des athlètes et à l’avancement des connaissancesdans le secteur du cyclisme de compétition.
EOLIOS espère que cette étude inspirera de nouvelles recherches et applications de la CFD dans divers domaines sportifs et au-delà.
Synthèse des simulations CFD d'un peloton du cycliste du tour de france
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