CFD-Simulation der aerodynamischen Phänomene eines Radfahrerfeldes

CFD-Modellierung der aerodynamischen Wechselwirkungen in einer Fahrergruppe

Die Leistung der Radfahrer in einem Feld wird wesentlich durch die Strömungsmechanik beeinflusst, die sich um sie herum entwickelt.

Im Rennen bilden die Radfahrer kompakte Gruppen, um vom Windschatteneffekt zu profitieren und den Luftwiderstand zu verringern, was ihre Energieeffizienz und ihre Gesamtleistung deutlich verbessern kann. Dieser Effekt ist besonders entscheidend bei Wettkämpfen auf hohem Niveau, wo die geringste Energieeinsparung den Unterschied zwischen Sieg und Niederlage ausmachen kann.

Das Verständnis der Strömungsmechanik um ein Radfahrerfeld hat große praktische Konsequenzen. Die Formationen des Feldes und die relativen Positionen der Fahrer beeinflussen direkt die Verteilung des aerodynamischen Widerstands und damit den individuellen Energieaufwand. Zum Beispiel erfahren die Fahrer an der Spitze des Feldes in der Regel einen größeren Luftwiderstand, während die dahinter platzierten von einer erheblichen Verringerung dieses Widerstands profitieren.

Durch die Optimierung der Feldformationen und die Nutzung von Rennstrategien, die auf der Strömungsmechanik beruhen, können die Mannschaften die kollektive Effizienz maximieren. Dies ist besonders relevant bei Etappenrennen, Mannschaftszeitfahren und Kriteriumsrennen, bei denen das Energiemanagement wesentlich ist, um über lange Distanzen hohe Leistungen aufrechtzuerhalten.

Trotz ihrer Bedeutung ist die Strömungsmechanik um die Felder jedoch komplex und schwer empirisch zu untersuchen wegen der zahlreichen beteiligten Variablen: die Geschwindigkeit, die Windrichtung, die Position der Fahrer und die aerodynamischen Wechselwirkungen.

Hier werden die CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) zu einem wertvollen Werkzeug. Sie ermöglichen es, diese Phänomene mit erhöhter Präzision und Flexibilität zu modellieren und zu analysieren, ohne die logistischen Zwänge und die Kosten von Windkanal- oder Feldversuchen.

Ziel dieser Studie ist es, die CFD-Simulationen zu nutzen, um unser Verständnis der Strömungsmechanik innerhalb eines Feldes zu vertiefen. Durch die Analyse verschiedener Konfigurationen und Positionen der Fahrer wollen wir die optimalen Formationen zur Minimierung des aerodynamischen Widerstands und zur Maximierung der Energieeffizienz identifizieren.

Methodik der CFD-Simulation für die Analyse eines Feldes

Die CFD-Simulation

Um die Strömungsmechanik um ein Radfahrerfeld zu untersuchen, haben wir die CFD-Simulation eingesetzt, eine leistungsfähige Technik zur Modellierung der Luftströmungen. Sie bietet den Vorteil, dass man verschiedene Konfigurationen leicht erkunden und die auf jeden Radfahrer einzeln ausgeübten aerodynamischen Kräfte quantifizieren kann. Durch den Vergleich dieser Kräfte können wir die Positionen und die wirksamsten Formationen hinsichtlich der Widerstandsverringerung identifizieren.

Die CFD-Simulation ist eine leistungsfähige Methode, doch ihre Grenzen hinsichtlich Rechenzeit und IT-Ressourcen können einschränkend sein: hier eine Rechenzeit von maximal einer Woche und das Fehlen eines Rechenzentrums. Um diese Grenzen auszugleichen, waren Kompromisse wie die Optimierung der Simulationsparameter — etwa der Einsatz eines adaptiven Netzes — nötig, um das Gleichgewicht zwischen Präzision und Effizienz zu finden.

Parameter der CFD-Studien

Um einen präzisen Vergleich der aerodynamischen Kräfte innerhalb und außerhalb des Feldes zu gewährleisten, haben wir die Geometrie jedes Radfahrers standardisiert. Durch die Verwendung identischer Modelle haben wir die mit individuellen Unterschieden verbundenen Variablen ausgeschaltet und die Analyse auf die Wirkung der Positionen und der Formationen innerhalb des Feldes konzentriert.

Diese geometrische Einheitlichkeit stellt sicher, dass die bei den aerodynamischen Kräften beobachteten Variationen ausschließlich auf die Wechselwirkungen zwischen den Radfahrern und ihre relative Anordnung zurückzuführen sind, was zuverlässigere und relevantere Ergebnisse liefert.

Für die Durchführung der Simulation wurde ein hochpräzises Modell verwendet: das Wall-Modeled Large Eddy Simulation (WMLES). Dieses Modell erfasst die Details der turbulenten Strömungen, indem es die Auflösung in Wandnähe automatisch anpasst und dabei die Druckgradienten berücksichtigt, die für die Strömungsablösung verantwortlich sind. Das WMLES verwendet ein Viskositätsmodell namens Wall-Adapting Local Eddy (WALE), das eine kohärente lokale Viskosität und ein präzises Verhalten in Wandnähe gewährleistet und es erlaubt, den Nachlauf dynamisch zu verfeinern, während sich die Strömung entwickelt.

Die untersuchte Konfiguration ist die eines Feldes von 100 Radfahrern, so angeordnet, dass ein reales Rennen auf einer breiten Straße simuliert wird. Dieser Ansatz erlaubt es, die Variationen der aerodynamischen Kräfte unter wirklichkeitsnahen Bedingungen zu analysieren, anders als bei starren und ausgerichteten Formationen, die für die Renndynamik weniger repräsentativ sind.

Messung der Widerstandskräfte

Herausforderungen

Die Messung der Widerstandskräfte ist im Radsport entscheidend: sie erlaubt es, den Luftwiderstand zu quantifizieren, den jeder Radfahrer überwinden muss. Dieser aerodynamische Widerstand ist einer der wichtigsten leistungsbegrenzenden Faktoren, besonders bei hohen Geschwindigkeiten. Den Widerstand zu verringern bedeutet eine erhebliche Energieeinsparung, die es erlaubt, höhere Geschwindigkeiten mit weniger Aufwand zu halten.

Aerodynamischer Widerstand: wie beeinflusst die Luft die Leistung?

Der aerodynamische Widerstand, oder Luftwiderstand, entsteht aus der Wechselwirkung zwischen dem Radfahrer (und seinem Rad) und der bewegten Luft. Er hängt von der Dichte der Umgebungsluft, der Geschwindigkeit des Radfahrers, der exponierten Stirnfläche und dem Widerstandsbeiwert (Cd oder Cx) ab, der die gesamte aerodynamische Güte der Konfiguration Radfahrer-Rad widerspiegelt.

Der Widerstand ist proportional zum Produkt aus der Dichte der Luft, dem Quadrat der Geschwindigkeit und der Stirnfläche. Der Radfahrer muss buchstäblich das gesamte Luftvolumen „schieben“, das er durchquert: die Dichte der Luft oder die Stirnfläche zu verringern senkt diesen Widerstand also erheblich.

Ein Radfahrer, der seinen Widerstand verringern will, kann seine Stirnfläche verkleinern, indem er eine liegendere Position einnimmt — eine bei Zeitfahren verbreitete Strategie. Der Widerstandsbeiwert hängt nicht nur von der aerodynamischen Form ab, sondern auch von den Details der Luftströmung um den Fahrer.

Die Forschung zeigt, dass die Bewegung des Radfahrers einen Überdruck der Luft vor ihm und einen Unterdruck hinter ihm erzeugt, die beide zum Widerstand beitragen. Außerdem reißt der Radfahrer über mehrere Meter Luft in Bewegung in seinem Nachlauf mit, was die Wechselwirkungen für die nachfolgenden Fahrer verkompliziert.

Für die Radfahrer im Feld wird die Wirkung des Widerstands durch ihre relative Position moduliert. Bei Gegenwind verringert das Fahren im Gänsemarsch den Widerstand der folgenden Fahrer durch die Verringerung der Über- und Unterdrücke; der Effekt ist bei den hinten liegenden Radfahrern ausgeprägter und hängt vom Abstand zwischen den Rädern und der eingenommenen aerodynamischen Position ab.

Geschwindigkeits- und Druckverteilung durch CFD-Simulation

Die Simulation erlaubt es, die Pläne der Geschwindigkeitsverteilung um die Radfahrer darzustellen. Da die Widerstandskraft proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist, erkennt man bereits die günstigsten Zonen des Feldes.

Die scheinbare Luftgeschwindigkeit beträgt 15 m/s (also 54 km/h) für den Radfahrer an der Spitze des Feldes: er spürt also mehr Widerstand als die Fahrer im Inneren des Feldes, wo die effektiven Geschwindigkeiten niedriger sind. Die beiden untenstehenden Abbildungen zeigen dies in der Draufsicht.

Die Fahrer an der Spitze treffen auf höhere Luftgeschwindigkeiten, während die weiter hinten und im Inneren des Feldes liegenden Fahrer auf niedrigere Geschwindigkeiten treffen. Die Spitzenfahrer spielen die Rolle eines Windschutzes und schützen die hinten liegenden. Da die Widerstandskraft proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist, ist der Widerstand auf die Spitzenfahrer weitaus größer als der am Ende des Feldes empfundene.

Man sagt auch, dass die Fahrer im Herzen des Feldes vom Windschatten profitieren, der von den Spitzenfahrern erzeugt wird. Indem sie sich in deren Nachlauf einklinken, profitieren sie vom Unterdruck hinter ihnen, was den Überdruck, den sie erzeugen, und damit ihren Widerstand verringert. Dieser Windschatteneffekt erlaubt es ihnen, hohe Geschwindigkeiten mit weniger Aufwand zu halten.

In der Praxis erlaubt die CFD, die Position der Radfahrer zu optimieren, aerodynamischere Ausrüstung zu wählen und Rennstrategien zu entwickeln. Beim Zeitfahren passen die Fahrer ihre Position an, um die Aerodynamik zu maximieren, oft indem sie eine tiefere und gestrecktere Haltung einnehmen, um die Stirnfläche zu minimieren. Sie verwenden Räder mit profilierten Rahmen und Scheibenrädern und testen im Windkanal aerodynamische Helme und enganliegende Anzüge.

Die CFD bietet gegenüber den Windkanalversuchen einen Vorteil: einen Gewinn an Zeit und Geld. Dank dieser auf Simulationsdaten beruhenden Anpassungen gewinnen die Radfahrer wertvolle Sekunden; die Mannschaften bilden auch strategische Felder, die den Windschatteneffekt maximieren und den kollektiven Widerstand verringern.

Messung des Widerstands an der CFD-Simulation

Wir haben die Widerstandskräfte an jedem Radfahrer bewertet und die günstigsten Positionen identifiziert. Die untenstehende Karte zeigt den Prozentsatz des Widerstands, den jeder Fahrer spürt, verglichen mit dem des Spitzenfahrers (maximaler Widerstand: 100 %).

Die Radfahrer in günstigen Positionen im Inneren des Feldes profitieren von niedrigeren Widerstandsprozentsätzen. Die Fahrer im Herzen des Feldes leisten halb so viel Aufwand wie die an der Spitze.

Die Platzierungsstrategie zur Minimierung des Widerstands

Allgemein spüren alle Radfahrer einen geringeren Widerstand als der Spitzenfahrer. Je weiter hinten und in der Mitte des Feldes ein Radfahrer platziert ist, desto weniger ist er exponiert. Die vom roten Kreis abgegrenzte Zone ist zu Rennbeginn die vorteilhafteste: die Fahrer spüren dort nur 10 % bis 20 % des Widerstands des Spitzenfahrers, während sie nah an der Spitze bleiben — also eine erhebliche Energieeinsparung.

Die Wahl des Platzes beruht jedoch nicht nur auf der Energie: je weiter ein Fahrer am Ende des Feldes ist, desto anfälliger ist er für die durch Beschleunigungen an der Spitze hervorgerufenen Ziehharmonika-Effekte und für etwaige Stürze. Deshalb ziehen es die Leader der Tour de France vor, in den ersten Reihen zu bleiben, umgeben von ihren Teamkollegen, um schnell zu reagieren und zugleich von einer noch erheblichen Widerstandsverringerung zu profitieren.

Vortizitätsfeld

Die Vortizität ist ein Maß für die Rotation eines Fluids um eine lokale Achse. Wenn sich ein Objekt, wie ein Radfahrer, in der Luft bewegt, stört es die Strömung: diese Störung äußert sich in der Bildung von Wirbeln — Zonen, in denen Geschwindigkeit und Richtung des Fluids verändert sind und die Vortizität erzeugen.

Die Darstellung des volumetrischen Vortizitätsfeldes zeigt, dass es die Räder an der Spitze des Feldes sind, die die Strömung am stärksten stören, woraus ein höherer Widerstand auf diese resultiert.

Das Phänomen der Windstaffel im Radsport

Bildung der Staffeln: eine kollaborative Strategie gegen den Wind

Um sich vor dem Seitenwind zu schützen, besteht eine wirksame Strategie darin, Windstaffeln zu bilden. Ein Fahrer positioniert sich leicht zurückgesetzt und seitlich zu dem, der die Arbeit leistet, und stellt sich so in den Windschutz. Je stärker und seitlicher der Wind, desto weiter bewegt sich der Fahrer seitlich, um von diesem Schutz zu profitieren.

Wenn ein Fahrer isoliert und dem Wind ausgesetzt ist, sagt man, er sei „in der Windstaffel“ oder er sei „abgestaffelt“ worden. Für ihn wird der Aufwand erheblich schwieriger, oft bis zu dem Punkt, an dem er dem Feld nicht mehr folgen kann.

Der Schlüssel dieser Strategie ist die Bildung von Staffeln. Der Fahrer an der Spitze stellt sich auf die Seite, von der der Wind kommt, um die ihm folgenden zu schützen. Nach seiner Führungsarbeit lässt er seinen Aufwand nach und überlässt seinen Teamkollegen seinen Windschutz, während er ans Ende der Gruppe zurückfällt, bevor er seinen Platz im Windschutz wieder einnimmt. Dieser Prozess gewährleistet eine kontinuierliche Rotation der Führungsarbeit und einen optimalen Schutz.

In der Windstaffel überleben: sich in der Gruppe vor dem Wind schützen

Es gibt zwei Arten von Staffeln: einfach und doppelt. Die einfache Staffel, in einer einzigen Reihe organisiert, wird für kleine Gruppen verwendet (Ausreißergruppe von weniger als acht Fahrern, Mannschaftszeitfahren). Die doppelte Staffel, wirksamer, besteht aus zwei Reihen: einer absteigenden, auf der Windseite, bestehend aus den Fahrern, die ihre Führungsarbeit geleistet haben, und einer aufsteigenden, geschützten, die sich darauf vorbereitet, die Führung zu übernehmen. Diese Formation gewährleistet einen kontinuierlichen Schutz für alle Fahrer.

Die isolierten Fahrer: der Schlüssel zum Abreißen

Die doppelte Staffel erfordert mindestens ein Dutzend Fahrer. Im Wettkampf kann eine Mannschaft die Staffel enger ziehen, indem sie einen starken Fahrer nahe an den Straßenrand, auf die dem Wind abgewandte Seite, stellt, was die Zahl der geschützten Fahrer verringert und die Schwierigkeit für die Gegner erhöht. Wenn der Seitenwind intensiv ist, kann diese Technik das Feld zersplittern, indem sie entscheidende Windstaffeln erzeugt: die Fahrer, denen es nicht gelingt, sich einzufügen, finden sich dem Wind ausgesetzt und erleiden eine drastische Zunahme des Widerstands, bedingt durch den Bruch des glatten und kontinuierlichen Luftstroms.

Die geschützten Fahrer profitieren von einer erheblichen Verringerung des Widerstands dank des Nachlaufeffekts und des seitlichen Schutzes durch ihre Teamkollegen. Die isolierten Fahrer müssen hingegen einen weit größeren Aufwand leisten, was zu ihrem Abreißen und dem Zerbrechen des Feldes in mehrere Gruppen führen kann. Dieser aerodynamische Aspekt konnte Leadern schon Touren de France kosten.

CFD-Studie von Radfahrern in Windstaffel

EOLIOS hat die Konfiguration in doppelter Windstaffel von 8 Radfahrern untersucht, wenn ein Seitenwind auftritt, um die Wirksamkeit dieser Formation per CFD zu bestätigen. Das 3D-Modell der Radfahrer ist mit dem vorherigen identisch.

Die Verteilung der Luftgeschwindigkeiten zeigt, dass die geschützten Radfahrer auf niedrigere Geschwindigkeiten treffen; wie im klassischen Feld erfahren sie einen weitaus geringeren Widerstand. Das Vortizitätsfeld bestätigt, dass die Spitzenfahrer die Strömung am stärksten stören.

Leistungsoptimierung: die Wirkung der CFD im Wettkampfradsport

Diese Studie der CFD-Simulation, angewandt auf ein Feld, ist ein bewusster Schritt von EOLIOS, um die technologischen Fortschritte und die konkreten Anwendungen der CFD im Wettkampfradsport zu veranschaulichen. Durch die Analyse des aerodynamischen Widerstands und der strategischen Positionen der Fahrer (mit etwa den Phänomenen der Windstaffel) haben wir gezeigt, wie diese Werkzeuge die Leistung bei Ereignissen wie der Tour de France optimieren.

Mit dieser Initiative möchte EOLIOS mit der breiten Öffentlichkeit und den Radsportbegeisterten die Möglichkeiten teilen, die die CFD-Simulation bietet, und ein tieferes Verständnis der wissenschaftlichen und technologischen Faktoren fördern, die diesen Sport beeinflussen.

EOLIOS hofft, dass diese Studie neue Forschungen und Anwendungen der CFD in verschiedenen sportlichen Bereichen und darüber hinaus inspirieren wird.