CFD study of a pedalling cyclist using the Immersed Boundary Method in foam-extend

Aerodynamics has progressively become a decisive factor in cycling performance; the use of wind tunnel testing, field measurements and CFD simulations has become com- mon practice for professional teams. While experimental approaches remain essential for validation, they require the physical presence of the athlete and often rely on static or simplified postures. Traditional CFD methods based on body-fitted or overset meshes face similar limitations, as they demand complex meshing and significant computational resources, particularly when large displacements and articulated motions such as pedalling are considered. This thesis investigates the Immersed Boundary Method (IBM), implemented in foam-extend 5.0, as an alternative approach for the aerodynamic analysis of a cyclist in pedalling motion. The method allows the simulation of moving geometries on a fixed Cartesian mesh, avoiding repeated remeshing and reducing preprocessing effort. After a validation stage on canonical bluff body flows, the cyclist case was addressed using a scanned and rigged mannequin, enabling the reconstruction of realistic kinematics of the lower limbs. The analysis highlights how IBM can capture the unsteady flow structures and aero- dynamic loads associated with pedalling, providing physically consistent results while maintaining flexibility and reduced computational cost. The method opens perspectives for athlete-specific aerodynamic studies based on virtual models, reducing reliance on ex- tensive wind tunnel campaigns. Future developments include the extension to complete cyclist–bicycle configurations, the use of advanced turbulence models, and systematic experimental validation.

Negli ultimi anni l’aerodinamica ha assunto un ruolo fondamentale nella prestazione ci- clistica; test in galleria del vento, misure in campo e simulazioni CFD sono ormai pratiche diffuse tra i team professionistici. Sebbene gli approcci sperimentali restino indispens- abili per la validazione, essi richiedono la presenza fisica dell’atleta e si basano spesso su posture statiche o semplificate. I metodi CFD tradizionali, basati su mesh conformi o overset, presentano limitazioni analoghe, in quanto richiedono procedure di generazione complesse e risorse computazionali elevate, soprattutto in presenza di grandi spostamenti e moti articolati come la pedalata. La presente tesi indaga l’ Immersed Boundary Method (IBM), implementato in foam-extend 5.0, come approccio alternativo per l’analisi aerodinamica di un ciclista in pedalata. Il metodo consente di rappresentare geometrie in movimento su una mesh cartesiana fissa, evitando rimodellazioni ripetute e riducendo i tempi di preparazione. Dopo una fase di validazione su casi canonici di corpi tozzi, è stato affrontato il caso del ciclista mediante un modello acquisito tramite scansione e rigging, in grado di ricostruire cinematiche realistiche degli arti inferiori. L’analisi mostra come l’IBM sia in grado di catturare le strutture di flusso instazionario e i carichi aerodinamici legati alla pedalata, garantendo coerenza fisica e al contempo flessibilità e riduzione dei costi computazionali. L’approccio apre nuove prospettive per studi aerodinamici personalizzati basati su modelli virtuali, riducendo la dipendenza da estese campagne in galleria del vento. Gli sviluppi futuri comprendono l’estensione a con- figurazioni ciclista–bici complete, l’uso di modelli di turbolenza avanzati e una sistematica validazione sperimentale.