The Superman

The Superman

2017 was een goed jaar voor het Nederlandse wielrennen. De wielerliefhebbers hebben kunnen genieten van de prestaties van Tom Dumoulin in de Giro en op het WK. We kijken natuurlijk uit naar de successen van komend jaar, en we hopen met name op de gele trui. Succes in het wielrennen is een combinatie van een toprenner en top materiaal. De fietsen zijn gemaakt van de beste materialen en ontworpen met behulp van de modernste technieken. Het wielrennen van tegenwoordig is een High Tech sport te noemen.

Een spectaculair onderdeel van de sport is het afdalen. Er valt veel tijd te winnen tijdens de afdaling door de zitpositie aan te passen. In de loop der jaren is er veel ge-experimenteert met verschillende posities. Toppers zoals Froome, Pantani en Sagan hebben hun eigen visie op de beste positie. Heel opvallend was afgelopen jaar de ‘superman’, een horizontale liggende zitpositie geïntroduceerd door Michael Guerra. Een levensgevaarlijke, maar toch erg effectieve manier om tijd te winnen.
 

Binnen het team van Cadmes zijn er veel collega’s met een passie voor techniek en sport. Aan de koffietafel word er daarom ook fanatiek gediscussieerd over de prestaties van de Nederlandse sporters. Na de introductie van de superman door Michael Guerra waren de meningen verdeeld of dit nou de positie is om het snelste af te dalen en hoe groot het voordeel nou werkelijk is. Om een antwoord op deze vraag te geven ben ik op onderzoek uitgegaan.

Sport en Wetenschap
Gezien de grote tijdswinst die bij het afdalen te halen valt, wordt er veel onderzoek gedaan. Door de positie van de renner te optimaliseren, kan de luchtweerstand verlaagd worden. De luchtweerstand is afhankelijk van de Cw waarde en het frontale oppervlakte van de renner. Deze waarden kunnen verlaagd worden door de zitpositie en het ontwerp van de fiets aan te passen. Vanwege de kleine verschillen tussen de teams is dit misschien wel 1 van de beslissende factoren voor succes. 

Windtunnel van Ridley

De topteams maken gebruik van windtunnels om data te vergaren hoe ze de renners nog sneller kunnen maken. Aan het testen in een windtunnel zitten wel een paar nadelen. Om een windtunneltest te doen is specialistische kennis en kostbare apparatuur vereist. Door vooraf al goede selectie te maken welke concepten er getest moeten worden, hoeft de fiets minder vaak aangepast te worden. Hierdoor ligt er meer focus op de optimalisatie van de beste concepten.

CAD en CFD zijn de technieken die gebruikt worden om virtueel concepten te testen. De voordelen van het uitvoeren van virtuele windtunneltests zijn:

• Bevordert innovatie
• Betere keuzes in ontwerpfase
• Kortere ontwikkeltijd
• Reductie kosten prototypes en tests

In de topsport draait het altijd om de kleine details. Door de ontwikkeltijd te minimaliseren en betere ontwerpkeuzes te maken kan net dat beetje voordeel behaald worden om als eerste over de streep te komen. Het reduceren van de kosten biedt natuurlijk weer mogelijkheden op vele andere vlakken. Om deze redenen zijn de digitale tools om virtueel mee te ontwerpen en testen onmisbaar in de topsport.

De concepten naast elkaar
Om mijn collega’s een antwoord te geven, heb ik besloten om zelf een aanvullende studie te doen om uit te vinden wat de Cw*A waarde is van een horizontale positie is. Ik heb een analyse gedaan van een renner die met 60 km/u in 2 zitposities over het asfalt raast, de back-up en de superman.

SOLIDWORKS biedt de tools om een CFD analyse uit te voeren. Met Flow Simulation kan op eenvoudige wijze de windtunneltest gesimuleerd worden. De windtunneltest is een externe analyse op het CAD model van de renner en zijn fiets. Door alle stappen te doorlopen van de wizard is een studie eenvoudig en snel opgezet. Omdat het CAD model 2 configuraties bevat, hoeft de studie maar 1 keer opgezet te worden. Hiervoor heb ik twee configuraties aangemaakt en alle instellingen gekopieerd naar de andere configuratie. De test die ik uitvoer is het rijden van een snelheid van 60 km/u met roterende wielen.

Een heel belangrijk punt in de simulatie is de mesh. De mesh bestaat uit cellen, die gebruikt worden door de software om de luchtstromen te berekenen. Flow Simulation biedt de tools om de mesh automatisch te verfijnen in de kritieke gebieden. Een heel belangrijk gebied in het model zijn natuurlijk de roterende wielen. Met behulp van de Rotating Region optie kunnen de wielen draaiend worden gesimuleerd. 

 Wat is nou precies de vraag
De luchtweerstand van een object is voornamelijk afhankelijk van de snelheid en kan berekend worden aan de hand van de volgende formule:

De snelheid (v) en de dichtheid (ρ) van de lucht zijn gegeven, maar er is meer data nodig om de Cw*A waarde te berekenen. Met SOLIDWORKS Flow Simulation is het mogelijk om de nodige data te verkrijgen, zoals:

• Stromingssnelheden en richtingen
• Vlaktedrukken
• Reactiekrachten
• Drukverschillen

De software berekend voor ons de luchtweerstand (F) aan de hand van de vloeistofdruk die de lucht uitoefent op de renner en zijn fiets. Met deze gegevens kan de waarde van Cw*A bepaald worden, waarbij de Cw de luchtweerstand coëfficiënt voorstelt en A het frontale oppervlakte van de renner.

Het antwoord op de vraag
Flow Simulation heeft de resultaten van de simulatie in krap een uur berekend. De mate van detail is afdoende om duidelijke verschillen te ontdekken tussen de zitposities. In de onderstaande afbeeldingen is te zien hoe de luchtstroming zich in beide situaties ontwikkeld nadat de windtunnel gestart word. De roterende wielen zorgen natuurlijk voor turbulentie.

 De resultaten van de simulatie laten een duidelijke verschillen zien tussen de twee zitposities. Het snelheidsprofiel achter de renner heeft een andere vorm. Ook is te zien dat het frontale oppervlakte in het geval van de superman positie veel kleiner is en de druk op dit oppervlak relatief laag.

Na een korte berekening aan de hand van de eerder genoemde formule voor luchtweerstand, kan worden bepaald dat de Cw*A waarde van de superman positie ongeveer 30% lager ligt. Het verschil tussen de allerlei zitposities is al eerder onderzocht door de TU Eindhoven (https://www.linkedin.com/pulse/part-3-aerodynamic-drag-superman-position-which-cyclist-bert-blocken/) en komt aardig overeen met onze bevindingen.

Gezien de topsnelheid voornamelijk afhangt van de luchtweerstand zal de topsnelheid flink hoger zijn tijdens het afdalen. Het is dus heel goed idee van Michael Guerra om deze positie in te nemen. Met het oog op veiligheid valt daar natuurlijk nog wel over te twisten.

 Meer weten?

SOLIDWORKS Flow Simulation is de ideale tool om eenvoudig, snel en nauwkeurig verschillende concepten in een vroeg stadium met elkaar te vergelijken. Het biedt je de mogelijkheid te innoveren en het gebruik van dure prototypes en complexe apparatuur te verminderen. Kijk op onze website (https://www.cadmes.com/nl/producten/solidworks-flow-simulation) voor meer informatie over de simulatie mogelijkheden of laat hier uw gegevens achter en ik neem contact met u op.