CFD study of a pedalling cyclist using overset meshes in OpenFOAM

Aerodynamics has assumed a fundamental role in cycling through the decades, and wind tunnel tests, field measurements and CFD simulations have become standard practices for a relevant number of professional cyclists or teams. However, the first two methods require the presence of the athletes for a significant number of hours, creating possible problems in riders’ training plans. For this reason, CFD simulations have been widely used for the estimation (and the reduction) of the drag forces on the cyclist. Among all the investigations that have been performed in the past years, only a small room in literature has been dedicated to dynamic simulations that aim to estimate the forces over the full pedalling loop. The idea of this work is, hence, to combine this lack of information on dynamic simulations with a tool that has been validated with success on a great number of moving models: the overset mesh method. This technique is really promising for the case studied since it provides its best performances in case of large displacements and complex motions of multiple bodies. To achieve the objective of the present analysis, it is simulated the flow field over a virtual mannequin of a cyclist, obtained after a scanning procedure, and whose moving leg is modeled as an articulated quadrilateral. Several simulations on the same pedalling mannequin are, then, performed and the trend of the drag force over a full pedal cycle is devised. In the end, a few observations that may bring future improvements to the present work are pointed out.

L’aerodinamica, negli anni, ha assunto un ruolo fondamentale nel ciclismo e i test in galleria del vento, le misurazioni in situ e le simulazioni CFD sono diventate pratiche standard per un numero rilevante di ciclisti o squadre professionistiche. Tuttavia, i primi due metodi richiedono la presenza degli atleti per un numero significativo di ore e ciò può risultare problematico per la preparazione atletica dei corridori. Per questa ragione, le simulazioni CFD sono state largamente utilizzate per la stima (e la riduzione) della forza di resistenza aerodinamica sul ciclista. Tra tutte le investigazioni che sono state fatte negli anni passati, soltanto un piccolo spazio in letteratura è stato dedicato alle simulazioni dinamiche che ambiscono a stimare le forze su tutto il ciclo di pedalata. L’idea di questo lavoro è, quindi, di combinare questa mancanza di informazioni sulle simulazioni dinamiche con un approccio che negli anni è stato validato su di un gran numero di modelli: il metodo overset meshes. Questa tecnica è molto promettente per il caso studiato, dal momento che offre le sue migliori prestazioni per grandi spostamenti e per moti complessi di corpi multipli. Per raggiungere l’obiettivo di questa analisi, è simulato il flusso intorno ad un manichino virtuale di un ciclista, ottenuto dopo una procedura di scanning e la cui gamba è schematizzata come un quadrilatero articolato. Sono, poi, effettuate molteplici simulazioni sul medesimo manichino pedalante ed è calcolato l’andamento della forza di resistenza per l’intero ciclo di pedalata. Infine, vengono presentate alcune osservazioni che potrebbero apportare futuri miglioramenti al lavoro svolto.