Modelação CFD das interações aerodinâmicas num grupo de corredores
O desempenho dos ciclistas num pelotão é largamente influenciado pela dinâmica dos fluidos que se desenvolve à sua volta.
Em prova, os ciclistas formam grupos compactos para aproveitar o efeito de aspiração e reduzir a resistência do ar, o que pode melhorar significativamente a sua eficiência energética e o seu desempenho global. Este efeito é particularmente crucial nas competições de alto nível, onde a menor economia de energia pode fazer a diferença entre a vitória e a derrota.
A compreensão da dinâmica dos fluidos em torno de um pelotão de ciclistas tem implicações práticas importantes. As formações de pelotão e as posições relativas dos ciclistas influenciam diretamente a distribuição da resistência aerodinâmica, impactando assim o gasto energético individual. Por exemplo, os ciclistas situados à frente do pelotão sofrem geralmente uma maior resistência do ar, enquanto os que se posicionam atrás beneficiam de uma redução significativa dessa resistência.
Ao otimizar as formações de pelotão e explorar as estratégias de corrida baseadas na dinâmica dos fluidos, as equipas podem maximizar a eficiência coletiva. Isto é particularmente pertinente nas provas por etapas, nos contrarrelógios por equipas e nas provas de critério, onde a gestão da energia é essencial para manter desempenhos elevados em longas distâncias.
Contudo, apesar da sua importância, a dinâmica dos fluidos em torno dos pelotões é complexa e difícil de estudar empiricamente devido às numerosas variáveis em jogo : a velocidade, a direção do vento, a posição dos ciclistas e as interações aerodinâmicas.
É aqui que as simulações CFD (Computational Fluid Dynamics) se tornam uma ferramenta preciosa. Permitem modelar e analisar estes fenómenos com uma precisão e uma flexibilidade acrescidas, sem as restrições logísticas e os custos dos ensaios em túnel de vento ou no terreno.
O objetivo deste estudo é tirar partido das simulações CFD para aprofundar a nossa compreensão da dinâmica dos fluidos no seio de um pelotão. Ao analisar diferentes configurações e posições dos ciclistas, visamos identificar as formações ótimas para minimizar a resistência aerodinâmica e maximizar a eficiência energética.
Metodologia da simulação CFD para a análise de um pelotão
A simulação CFD
A CFD (Computational Fluid Dynamics) é um método numérico que permite analisar os movimentos de fluidos resolvendo equações às derivadas parciais. Modela os escoamentos de ar de forma precisa e detalhada e quantifica as forças aerodinâmicas exercidas sobre cada corpo.
Para estudar a dinâmica dos fluidos em torno de um pelotão de ciclistas, utilizámos a simulação CFD, uma técnica poderosa que permite modelar os escoamentos de ar. Oferece a vantagem de poder explorar facilmente várias configurações e de quantificar as forças aerodinâmicas exercidas sobre cada ciclista individualmente. Comparando estas forças, podemos identificar as posições e as formações mais eficazes em termos de redução da resistência.
A simulação CFD é um método poderoso, mas os seus limites em termos de tempo de cálculo e de recursos informáticos podem ser restritivos : aqui, uma semana de cálculo no máximo e a ausência de um data center. Para colmatar estas limitações, foram necessários compromissos como a otimização dos parâmetros de simulação, nomeadamente a utilização de uma malha adaptativa, para encontrar o equilíbrio entre precisão e eficiência.
Parâmetros dos estudos CFD
Para assegurar uma comparação precisa das forças aerodinâmicas no interior e no exterior do pelotão, padronizámos a geometria de cada ciclista. Utilizando modelos idênticos, eliminámos as variáveis ligadas às diferenças individuais e focámos a análise no impacto das posições e das formações no seio do pelotão.
Esta uniformidade geométrica garante que as variações observadas nas forças aerodinâmicas se devem exclusivamente às interações entre os ciclistas e à sua disposição relativa, oferecendo resultados mais fiáveis e pertinentes.
Para realizar a simulação, foi utilizado um modelo de alta fidelidade : o Wall-Modeled Large Eddy Simulation (WMLES). Este modelo capta os detalhes dos escoamentos turbulentos adaptando automaticamente a resolução junto às paredes, tendo em conta os gradientes de pressão responsáveis pela separação dos escoamentos. O WMLES utiliza um modelo de viscosidade chamado Wall-Adapting Local Eddy (WALE), que assegura uma viscosidade local coerente e um comportamento preciso junto às paredes, e permite refinar dinamicamente a esteira à medida que o escoamento se desenvolve.
Uma disposição realista, não cartesiana
Várias investigações, como The Peloton Project do Professor Bert Blocken (Eindhoven University of Technology), examinaram a dinâmica dos fluidos de um pelotão. Mas negligenciam muitas vezes a natureza não uniforme da disposição dos corredores : não estão alinhados de forma regular. É, por isso, necessário estudar uma configuração mais realista.
A configuração estudada é a de um pelotão de 100 ciclistas dispostos de modo a simular uma corrida real numa estrada larga. Esta abordagem permite analisar as variações das forças aerodinâmicas em condições próximas da realidade, ao contrário de formações rígidas e alinhadas, menos representativas das dinâmicas de corrida.
Medição das forças de resistência
Desafios
A medição das forças de resistência é crucial no ciclismo : permite quantificar a resistência do ar que cada ciclista tem de superar. Esta resistência aerodinâmica é um dos principais fatores limitantes do desempenho, sobretudo a velocidades elevadas. Reduzir a resistência significa uma economia de energia significativa, permitindo manter velocidades mais elevadas com menos esforço.
Resistência aerodinâmica : como o ar influencia o desempenho ?
A resistência aerodinâmica, ou resistência do ar, provém da interação entre o ciclista (e a sua bicicleta) e o ar em movimento. Depende da densidade do ar ambiente, da velocidade do ciclista, da superfície frontal exposta e do coeficiente de resistência (Cd ou Cx) que reflete o aerodinamismo global da configuração ciclista-bicicleta.
A resistência é proporcional ao produto da massa volúmica do ar pelo quadrado da velocidade e pela superfície frontal. O ciclista tem literalmente de « empurrar » todo o volume de ar que atravessa : reduzir a densidade do ar ou a superfície frontal diminui, portanto, significativamente esta resistência.
Um ciclista que queira reduzir a sua resistência pode diminuir a sua área frontal adotando uma posição mais deitada, estratégia corrente nos contrarrelógios. O coeficiente de resistência depende não só da forma aerodinâmica, mas também dos detalhes do escoamento do ar em torno do corredor.
As investigações mostram que o movimento do ciclista cria uma sobrepressão do ar à sua frente e uma depressão atrás dele, contribuindo ambas para a resistência. Além disso, o ciclista arrasta ar em movimento ao longo de vários metros na sua esteira, complexificando as interações para os corredores a jusante.
Para os ciclistas em pelotão, o efeito da resistência é modulado pela sua posição relativa. Com vento de frente, rolar em fila indiana reduz a resistência dos corredores seguintes graças à redução das sobrepressões e depressões ; o efeito é mais pronunciado para os ciclistas situados atrás e depende da distância entre as rodas e da posição aerodinâmica adotada.
Distribuição das velocidades e da pressão por simulação CFD
A simulação permite exibir os planos de distribuição das velocidades em torno dos ciclistas. Sendo a força de resistência proporcional ao quadrado da velocidade, identificam-se desde logo as zonas do pelotão mais favoráveis.
A velocidade aparente do ar é de 15 m/s (ou seja 54 km/h) para o ciclista à frente do pelotão : sente, por isso, mais resistência do que os corredores no seio do pelotão, onde as velocidades efetivas são mais baixas. As duas figuras abaixo visualizam-no em vista de cima.
Os ciclistas à frente encontram velocidades de ar mais elevadas, enquanto os corredores mais recuados e no interior do pelotão encontram velocidades mais baixas. Os corredores da frente desempenham o papel de corta-vento, protegendo os situados atrás. Sendo a força de resistência proporcional ao quadrado da velocidade, a resistência sobre os corredores da frente é bem mais importante do que a sentida no fim do pelotão.
Diz-se também que os corredores do centro do pelotão aproveitam a aspiração gerada pelos da frente. Colocando-se na sua esteira, beneficiam da depressão situada atrás deles, o que reduz a sobrepressão que criam e, portanto, a sua resistência. Este fenómeno de aspiração permite-lhes manter velocidades elevadas com menos esforço.
Na prática, a CFD permite otimizar a posição dos ciclistas, escolher equipamentos mais aerodinâmicos e desenvolver estratégias de corrida. Em contrarrelógio, os corredores ajustam a sua posição para maximizar o aerodinamismo, muitas vezes adotando uma postura mais baixa e alongada a fim de minimizar a superfície frontal. Utilizam bicicletas com quadros perfilados e rodas plenas, e testam em túnel de vento capacetes aerodinâmicos e fatos justos.
A CFD apresenta uma vantagem face aos ensaios em túnel de vento : um ganho de tempo e de dinheiro. Graças a estes ajustes baseados nos dados de simulação, os ciclistas ganham segundos preciosos ; as equipas formam também pelotões estratégicos que maximizam o efeito de aspiração e reduzem a resistência coletiva.
Medição da resistência na simulação CFD
Avaliámos as forças de resistência sobre cada ciclista e identificámos as posições mais favoráveis. O mapa abaixo mostra a percentagem de resistência sentida por cada corredor, comparada com a do ciclista à frente (resistência máxima : 100 %).
Os ciclistas situados em posições favoráveis no interior do pelotão beneficiam de percentagens de resistência mais baixas. Os corredores do centro do pelotão fornecem metade do esforço dos situados à frente.
A estratégia de posicionamento para minimizar a resistência
De forma geral, todos os ciclistas sentem uma resistência menor do que o corredor da frente. Quanto mais um ciclista está colocado atrás e ao centro do pelotão, menos exposto está. A zona delimitada pelo círculo vermelho é a mais vantajosa no início de corrida : os corredores sentem aí apenas 10 % a 20 % da resistência do líder mantendo-se próximos da frente, ou seja uma economia de energia considerável.
Contudo, a escolha do lugar não se baseia apenas na energia : quanto mais um corredor está na cauda do pelotão, mais vulnerável é aos efeitos de acordeão provocados por acelerações à frente e às eventuais quedas. É por isso que os líderes do Tour de France preferem manter-se nas primeiras filas, rodeados dos seus colegas de equipa, para reagir depressa aproveitando ao mesmo tempo uma redução de resistência ainda significativa.
Campo de vorticidade
A vorticidade é uma medida da rotação de um fluido em torno de um eixo local. Quando um objeto, como um ciclista, se desloca no ar, perturba o escoamento : esta perturbação traduz-se na formação de redemoinhos, zonas onde a velocidade e a direção do fluido são modificadas, que geram vorticidade.
A exibição do campo volumétrico de vorticidade mostra que são as bicicletas à frente do pelotão que mais perturbam o escoamento, daí uma resistência mais elevada sobre estas.
O fenómeno do leque no ciclismo
Formação dos leques : uma estratégia colaborativa contra o vento
Para se proteger do vento lateral, uma estratégia eficaz consiste em formar leques. Um corredor posiciona-se ligeiramente recuado e ao lado daquele que produz o esforço, abrigando-se assim do vento. Quanto mais o vento é forte e lateral, mais o corredor se desloca lateralmente para beneficiar desta proteção.
Quando um corredor se encontra isolado e exposto ao vento, diz-se que está « no bordo » ou que foi « bordado ». Para ele, o esforço torna-se consideravelmente mais difícil, muitas vezes ao ponto de já não conseguir acompanhar o pelotão.
A chave desta estratégia é formar leques. O corredor à frente coloca-se do lado de onde provém o vento para proteger os que o seguem. Após o seu revezamento, relaxa o esforço, deixando os seus colegas de equipa beneficiar do seu abrigo enquanto recua para a retaguarda do grupo antes de retomar o seu lugar ao abrigo do vento. Este processo assegura um revezamento contínuo e uma proteção ótima.
Sobreviver no bordo : abrigar-se do vento em grupo
Existem dois tipos de leques : simples e duplo. O leque simples, organizado numa única fila, é utilizado para pequenos grupos (fuga de menos de oito corredores, contrarrelógio por equipa). O leque duplo, mais eficaz, compõe-se de duas filas : uma descendente, do lado do vento, composta pelos corredores que já fizeram o seu revezamento, e uma ascendente, abrigada, que se prepara para revezar. Esta formação assegura uma proteção contínua para todos os corredores.
Os corredores isolados : a chave do descolamento
O leque duplo necessita de pelo menos uma dezena de corredores. Em competição, uma equipa pode apertar o leque colocando um corredor forte junto à berma da estrada, do lado oposto ao vento, reduzindo o número de corredores protegidos e aumentando a dificuldade para os adversários. Quando o vento lateral é intenso, esta técnica pode fragmentar o pelotão criando bordos decisivos : os corredores que não conseguem inserir-se ficam expostos ao vento e sofrem um aumento drástico da resistência, devido à rutura do fluxo de ar liso e contínuo.
Os corredores abrigados beneficiam de uma redução significativa da resistência graças ao efeito de esteira e à proteção lateral dos seus colegas de equipa. Os corredores isolados, esses, têm de fornecer um esforço bem mais importante, o que pode levar ao seu descolamento e à fragmentação do pelotão em vários grupos. Este aspeto aerodinâmico já fez perder Tours de France a líderes.
Estudo CFD de ciclistas em leque
A EOLIOS estudou a configuração em leque duplo de 8 ciclistas quando surge um vento de lado, a fim de confirmar por CFD a eficácia desta formação. O modelo 3D dos ciclistas é idêntico ao anterior.
A distribuição das velocidades de ar mostra que os ciclistas protegidos encontram velocidades mais baixas ; tal como no pelotão clássico, sofrem uma resistência bem menor. O campo de vorticidade confirma que os corredores da frente perturbam mais o escoamento.
Leque duplo : −70 % de resistência
Os cálculos mostram que os 6 ciclistas protegidos sentem em média apenas 30 % da resistência sofrida por cada um dos dois corredores da frente. Esta diminuição de 70 % prova a eficácia do leque duplo face aos ventos de través.
Otimização dos desempenhos : o impacto da CFD no ciclismo de competição
Este estudo de simulação CFD aplicado a um pelotão constitui uma iniciativa voluntária da EOLIOS para ilustrar os avanços tecnológicos e as aplicações concretas da CFD no ciclismo de competição. Ao analisar a resistência aerodinâmica e as posições estratégicas dos corredores (com, por exemplo, os fenómenos de bordo), mostrámos como estas ferramentas otimizam os desempenhos em eventos como o Tour de France.
Com esta iniciativa, a EOLIOS pretende partilhar com o grande público e os apaixonados de ciclismo as possibilidades oferecidas pela simulação CFD, e incentivar uma compreensão mais aprofundada dos fatores científicos e tecnológicos que influenciam este desporto.
A EOLIOS espera que este estudo inspire novas investigações e aplicações da CFD em diversos domínios desportivos e mais além.
Desporto, edifício, indústria : os nossos engenheiros CFD transformam as suas problemáticas de escoamento em decisões concretas.
