Simulation CFD des phénomènes aérodynamiques d'un peloton de cyclistes

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 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 est complexe et difficile à étudier empiriquement en raison des nombreuses variables en jeu : 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 accrues, 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. 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 d'un peloton

La simulation CFD

Pour étudier la dynamique des fluides autour d'un peloton de cyclistes, nous avons utilisé la simulation CFD, une technique puissante permettant de modéliser les écoulements d'air. 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, mais ses limites en termes de temps de calcul et de ressources informatiques peuvent être contraignantes : ici, 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, ont été nécessaires pour trouver l'équilibre entre précision et efficacité.

Paramètres des études CFD

Pour assurer une comparaison précise des forces aérodynamiques à l'intérieur et à l'extérieur du peloton, nous avons standardisé la géométrie de chaque cycliste. En utilisant des modèles identiques, nous avons éliminé les variables liées aux différences individuelles et focalisé l'analyse 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 cyclistes et à leur disposition relative, offrant des résultats plus fiables et pertinents.

Pour réaliser la simulation, un modèle de haute fidélité a été utilisé : le Wall-Modeled Large Eddy Simulation (WMLES). Ce modèle capture 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. 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, et permet d'affiner dynamiquement le sillage à mesure que l'écoulement se développe.

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 proches de la réalité, contrairement à des formations rigides et alignées, moins représentatives des dynamiques de course.

Mesure des forces de traînée

Enjeux

La mesure des forces de traînée est cruciale en cyclisme : elle permet de quantifier la résistance de l'air que chaque cycliste doit surmonter. Cette résistance aérodynamique est l'un des principaux facteurs limitant la performance, surtout à des vitesses élevées. Réduire la traînée signifie une économie d'énergie significative, permettant de maintenir des vitesses plus élevées avec moins d'effort.

Traînée aérodynamique : comment l'air influence la performance ?

La traînée aérodynamique, ou résistance de l'air, provient de l'interaction entre le cycliste (et son vélo) et l'air en mouvement. Elle dépend de la densité de l'air ambiant, de la vitesse du cycliste, de la surface frontale exposée et du coefficient de traînée (Cd ou Cx) qui reflète l'aérodynamisme global de la configuration cycliste-vélo.

La traînée est proportionnelle au produit de la masse volumique de l'air par le carré de la vitesse et par la surface frontale. Le cycliste doit littéralement « pousser » tout le volume d'air qu'il traverse : réduire la densité de l'air ou la surface frontale diminue donc significativement cette traînée.

Un cycliste qui veut réduire sa traînée peut diminuer son aire frontale en adoptant une position plus couchée, stratégie courante lors des contre-la-montre. Le coefficient de traînée dépend non seulement de la forme aérodynamique, mais aussi des détails de l'écoulement de l'air autour du coureur.

Les recherches montrent que le mouvement du cycliste crée une surpression de l'air devant lui et une dépression derrière lui, les deux contribuant à la traînée. De plus, le cycliste entraîne de l'air en mouvement sur plusieurs mètres dans son sillage, complexifiant les interactions pour les coureurs en aval.

Pour les cyclistes en peloton, l'effet de la traînée est modulé par leur position relative. Pour un vent de face, rouler en file indienne réduit la traînée des coureurs suivants grâce à la réduction des surpressions et dépressions ; l'effet est plus prononcé pour les cyclistes situés derrière et dépend de la distance entre les roues et de la position aérodynamique adoptée.

Distribution des vitesses et de la pression 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 repère déjà 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 en tête du peloton : il ressent donc plus de traînée que les coureurs au sein du peloton, où les vitesses effectives sont plus faibles. Les deux figures ci-dessous le visualisent en vue de dessus.

Les cyclistes en tête rencontrent des vitesses d'air plus élevées, tandis que les coureurs plus en retrait et à l'intérieur du peloton rencontrent des vitesses plus faibles. Les coureurs de tête jouent le rôle de brise-vent, protégeant ceux situés à l'arrière. La force de traînée étant proportionnelle au carré de la vitesse, la traînée sur les coureurs de tête est bien plus importante que celle ressentie en fin de peloton.

On dit aussi que les coureurs du cœur du peloton profitent de l'aspiration générée par ceux de tête. En se calant dans leur sillage, ils bénéficient de la dépression située derrière eux, ce qui réduit la surpression qu'ils créent et donc leur traînée. Ce phénomène d'aspiration leur permet de maintenir des vitesses élevées avec moins d'effort.

En pratique, la CFD permet d'optimiser la position des cyclistes, de choisir des équipements plus aérodynamiques et de développer des stratégies de course. En contre-la-montre, les coureurs ajustent leur position pour maximiser l'aérodynamisme, souvent en adoptant une posture plus basse et allongée afin de minimiser la surface frontale. Ils utilisent des vélos à cadres profilés et roues pleines, et testent en soufflerie casques aérodynamiques et combinaisons moulantes.

La 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 gagnent de précieuses secondes ; les équipes forment aussi des pelotons stratégiques maximisant l'effet d'aspiration et réduisant la traînée collective.

Mesure de la traînée sur la simulation CFD

Nous avons évalué les forces de traînée sur chaque cycliste et identifié les positions les plus favorables. La carte ci-dessous montre le pourcentage de traînée ressenti par chaque coureur, comparé à celui du cycliste en tête (traînée maximale : 100 %).

Les cyclistes situés dans des positions favorables à l'intérieur du peloton bénéficient de pourcentages de traînée plus faibles. Les coureurs du cœur du peloton fournissent moitié moins d'efforts que ceux situés en tête.

La stratégie de placement pour minimiser la traînée

De manière générale, tous les cyclistes ressentent une traînée moindre que le coureur de tête. Plus un cycliste est placé à l'arrière et au centre du peloton, moins il est exposé. La zone délimitée par le cercle rouge est la plus avantageuse en début de course : les coureurs n'y ressentent que 10 % à 20 % de la traînée du leader tout en restant proches de la tête, soit une économie d'énergie considérable.

Cependant, le choix de la place ne se base pas uniquement sur l'énergie : plus un coureur est en queue de peloton, plus il est vulnérable aux effets d'accordéon provoqués par des accélérations en tête et aux éventuelles chutes. C'est pourquoi les leaders du Tour de France préfèrent rester dans les premiers rangs, entourés de leurs équipiers, pour réagir vite tout en profitant d'une réduction de traînée encore significative.

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, se déplace dans l'air, il perturbe l'écoulement : cette perturbation se traduit par la formation de tourbillons, zones où la vitesse et la direction du fluide sont modifiées, qui génèrent de la vorticité.

L'affichage du champ volumétrique de vorticité montre 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 contre le vent

Pour se protéger du vent latéral, une stratégie efficace consiste à former des éventails. Un coureur se positionne légèrement en retrait et sur le côté de celui 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 lui, l'effort devient considérablement plus difficile, souvent au point de ne plus pouvoir suivre le peloton.

La clé de cette stratégie est de former des éventails. Le coureur en tête se place du côté d'où provient le vent pour protéger ceux qui le suivent. Après 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 à l'abri du vent. Ce processus assure une rotation continue des relais et une protection optimale.

Survivre dans la bordure : 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 (échappée de moins de huit coureurs, contre-la-montre par équipe). L'éventail double, plus efficace, se compose de deux files : une descendante, côté vent, composée des coureurs ayant pris leur relais, et une montante, abritée, qui se prépare à relayer. Cette formation assure une protection continue pour tous les coureurs.

Les coureurs isolés : la clé du décrochage

L'éventail double nécessite au moins une dizaine de coureurs. 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 le nombre de coureurs protégés et augmentant la difficulté pour les adversaires. Lorsque le vent latéral est intense, cette technique peut fragmenter le peloton en créant des bordures décisives : les coureurs qui n'arrivent pas à s'insérer se retrouvent exposés au vent et subissent une augmentation drastique de la traînée, due à la rupture du flux d'air lisse et continu.

Les coureurs abrités bénéficient d'une réduction significative de la traînée grâce à l'effet de sillage et à la protection latérale de leurs coéquipiers. Les coureurs isolés, eux, doivent fournir un effort bien plus important, ce qui peut entraîner leur décrochage et l'éclatement du peloton en plusieurs groupes. Cet aspect aérodynamique a pu faire perdre des Tours de France à des leaders.

Étude CFD de cyclistes en éventail

EOLIOS a étudié la configuration en éventail double de 8 cyclistes lorsqu'un vent de côté apparaît, afin de confirmer par la CFD l'efficacité de cette formation. Le modèle 3D des cyclistes est identique au précédent.

La répartition des vitesses d'air montre que les cyclistes protégés rencontrent des vitesses plus faibles ; comme dans le peloton classique, ils subissent une traînée bien moins importante. Le champ de vorticité confirme que les coureurs de tête perturbent le plus l'écoulement.

Optimisation des performances : l'impact de la CFD dans le cyclisme de compétition

Cette étude de simulation CFD appliquée à un peloton constitue une démarche volontaire d'EOLIOS pour illustrer les avancées technologiques et les applications concrètes de la CFD dans le cyclisme de compétition. En analysant la traînée aérodynamique et les positions stratégiques des coureurs (avec, par exemple, les phénomènes de bordure), nous avons montré comment ces outils optimisent les performances lors d'événements comme le Tour de France.

Par cette initiative, EOLIOS souhaite partager avec le grand public et les passionnés de cyclisme les possibilités offertes par la simulation CFD, et encourager une compréhension plus approfondie des facteurs scientifiques et technologiques qui influencent ce sport.

EOLIOS espère que cette étude inspirera de nouvelles recherches et applications de la CFD dans divers domaines sportifs et au-delà.