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Une « soufflerie virtuelle » pour l’évaluation aérodynamique en cyclisme

Une « soufflerie virtuelle » pour l’évaluation aérodynamique en cyclisme
Sean D. Peterson, Ph.D., P.Eng.1
Andrew J. M. Buckrell2
Ardalan Javadi, Ph.D.1
1Ingénierie mécanique et mécatronique, Université de Waterloo
24iiii Innovations, Inc.
 
En cyclisme sur piste, où la vitesse peut atteindre jusqu’à 80 km/h et que les marges de victoire se mesurent en fractions de secondes, les pertes parasitiques les plus minimes déterminent une participation à la cérémonie des médailles du podium ou des gradins.  Sur un sol plat, la vitesse d’un cycliste est déterminée par la puissance de l’athlète par rapport aux forces de résistance parasitiques; à la vitesse de course, ces pertes parasitiques sont principalement dues à la trainée aérodynamique, qui augmente avec l’accroissement de la vitesse, élevée au carré. Pour qu’un cycliste double sa vitesse (sans modifier son positionnement aérodynamique), il doit augmenter sa puissance par un facteur de 8, soulignant donc l’importance critique du rendement aérodynamique. Bien que les règles empiriques et l’expérience peuvent contribuer considérablement à un bon positionnement aérodynamique, y compris dans la sélection des composantes du vélo et de leur configuration, des modifications très limitées de l’alignement ou du positionnement peuvent avoir des répercussions non négligeables sur la charge aérodynamique totale. À l’heure actuelle, l’équipe canadienne olympique de cyclisme s’appuie principalement sur les essais sur piste, quelques essais en soufflerie, des connaissances institutionnelles considérables, l’intuition et un système d’essais et d’erreurs pour optimiser l’aérodynamisme des athlètes individuels en compétition. Conséquemment, les décisions de mise en œuvre de changements ou de nouvelles spécifications d’équipement entraînent d’importants coûts monétaires et en ressources humaines pour en déterminer l’impact sur les forces aérodynamiques, tant individuellement qu’à l’échelle de l’équipe. Les essais en soufflerie, la référence en matière d’analyse aérodynamique, est particulièrement dispendieuse et est donc utilisée avec modération.
 
De récents progrès en balayage tridimensionnel et en modélisation numérique ont ouvert la voie à la dynamique des fluides numériques (DFN) comme outil viable et complémentaire aux essais sur piste et en soufflerie pour l’optimisation aérodynamique des athlètes individuels. En réorientant quelques-uns des essais vers le domaine du calcul (une « soufflerie virtuelle », en l’occurrence), l’impact des modifications et des ajustements à l’équipement peut être exploré virtuellement, permettant donc de tirer parti des précieux moments d’essais sur piste et en soufflerie pour des corrections à petite échelle. En collaboration avec Canada Cyclisme et 4iiii Innovations et avec le soutien de Mitacs et d’À nous le podium, nous avons développé et testé la « soufflerie virtuelle (SV) » pour aider les athlètes olympiques et paralympiques du Canada à atteindre le succès. Plus spécifiquement, grâce à ce soutien, nous avons (1) mis au point les méthodologies de la SV et validé contre les données expérimentales; (2) effectué un examen de premier ordre de l’impact d’un mouvement de jambe dynamique sur les charges aérodynamiques; et (3) élaboré et mis en œuvre une stratégie d’optimisation combinée de la SV et des composantes pour configurer les prolongateurs de guidons des cyclistes olympiques canadiennes pour minimiser la traînée.     
 
Validation : Des données d’une campagne détaillée en soufflerie à l’aide d’un mannequin réaliste sur un vélo de contre-la-montre (Terra et al., Exp. Fluids, 60:29; 2019) ont été utilisées comme valeur de référence pour établir la méthodologie de modélisation, y compris le modèle de turbulence, les pratiques d’engrenage et le solveur de la SV. En adaptant au domaine du cyclisme un modèle de turbulence à bas prix originalement conçu pour le débit transitoire sur le profil aérodynamique d’ailerons et en déterminant la densité du maillage dans différentes zones de débit, nous avons pu reproduire avec succès les résultats de la surface de traînée expérimentale (CdA) dans des limites d’incertitude expérimentale et de bien saisir les caractéristiques de sillage qui influencent la traînée et la prise d’aspiration (« drafting »). En exploitant le traitement parallèle*, une telle fidélité peut être obtenue à l’intérieur de 24 heures et plusieurs configurations peuvent être testées simultanément à condition d’un accès suffisant aux ressources informatiques.   
 
Effet de la cadence sur la traînée : Il est bien établi que la traînée aérodynamique est une fonction de la position de la pédale et que la traînée la plus élevée survient à l’allongement complet d’une jambe. Toutefois, relativement peu d’information existe sur l’effet de la cadence relativement à la traînée. En imposant un mouvement de jambe sur le cycliste modèle à l’aide d’une « paroi mobile », un procédé rentable pour examiner les mouvements de pédalage dynamiques, nous avons exploré l’effet de la cadence (60, 90 et 120 tr/min) sur la traînée totale et individuelle de la jambe. Nous avons déterminé que la traînée augmente légèrement avec un mouvement de jambe mais que cet impact représente une augmentation de la traînée de moins de 1 %  par rapport à une jambe statique. De plus, l’augmentation de la traînée était indépendante de la cadence pour l’incertitude de simulation, ce qui suggère que l’efficacité métabolique devrait être le facteur prépondérant dans l’établissement de la cadence. Autre détail intéressant, la traînée sur la jambe « inférieure » a diminué d’un facteur pouvant atteindre jusqu’à 2,2 % (s’améliorant avec une cadence plus rapide). Des recherches futures s’orienteront sur l’impact de la dynamique de sillage et si cette dernière pourrait être exploitée par un coureur en drafting (dans le contexte de la poursuite par équipe) grâce à l’établissement d’une phase de pédalage relative appropriée.
                                                                                                                    
Optimisation des prolongateurs de guidon : La conclusion la plus excitante et d’application immédiate du résultat de ce travail est peut-être le développement d’une méthodologie de configuration de composante où l’optimisation basée sur le gradient associé à la SV est utilisée pour déterminer la « meilleure configuration » pour minimiser la traînée. Plus spécifiquement, le prolongateur de guidon d’une cycliste canadienne sur piste a été paramétré (hauteur de la potence et positions latérale et avant-arrière des appuie-bras) et des outils d’optimisation ont été utilisés pour minimiser la force de traînée à l’aide de la polygonisation de l’espace des paramètres. Dans l’espace virtuel, la position du corps de l’athlète a été ajustée selon les modifications apportées à la configuration du prolongateur de guidon à l’aide du logiciel Blender. En diminuant la hauteur de la potence et en déplaçant les coudes vers l’extérieur et l’avant, la traînée totale exercée sur la cycliste a été réduite de 9 %.  
 
Plusieurs autres défis exigent davantage d’innovation. Par exemple, de véritables simulations dynamiques avec des corps en mouvement (c.-à-d. en pédalant) demeurent un défi de taille, tant du côté de la modélisation que du coût informatique. De plus, les outils d’optimisation utilisés dans ce contexte étaient primitifs et ont exigé un grand nombre de simulations afin de converger. Ceci pourrait être amélioré, particulièrement dans le cadre du cas présenté de configuration des composantes, par l’entremise d’une optimisation sous contraintes ou peut-être à l’aide de fonctions de pénalité basées sur la biomécanique lorsque la configuration aérodynamique optimale diverge trop du tarage nominal. 
 
Au-delà du cyclisme, l’aérodynamique (ou l’hydrodynamique) est un facteur limitant dans une variété d’autres sports olympiques et paralympiques, tels le ski alpin, la course en fauteuil roulant et la natation. En s’appuyant sur la plateforme de la SV, des outils de modélisation computationnelle pourraient également être incorporés dans les protocoles d’évaluation de l’aérodynamisme d’autres sports. Une telle plateforme d’évaluation de l’aérodynamisme avec des connaissances institutionnelles partagées applicable à plusieurs sports pourrait être avantageuse à un large éventail de programmes d’élite du sport canadien.   
 
 
* Nous sommes reconnaissants de l’appui de Calcul Canada et du Programme de ressources affectées qui a été utilisé pour toutes les simulations.

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