Aérodynamique du vélo : analyse CFD du Tour de France

L’aérodynamique du vélo est l'un des facteurs qui influencent le plus les résultats de compétitions sportives telles que le Tour de France. Le grand favori de cette course est le britannique Chris Froome, mais sa conquête du 4ème titre est loin d'être une évidence. En tant qu'entreprise technologique, nous proposons une approche scientifique du Tour, en examinant les phénomènes liés à l'aérodynamique appliquée au monde du cyclisme. Nous les avons analysés à travers la simulation mécanique des fluides (dite CFD, Computational Fluid Dynamics), une méthode d'analyse numérique qui se base sur des outils logiciels sophistiqués comme FLOEFD.

Les cyclistes ont besoin de nombreuses heures d'entraînement pour atteindre leur puissance maximum, mais l'évolution de cette dernière est « asymptotique », c'est à dire qu'elle augmente de moins en moins avec l'augmentation de l'effort. Ainsi, à partir d'un certain niveau, si on veut se démarquer des autres, il s'agit d'augmenter l’efficacité, à l'instar de ce que l'on peut observer dans le monde industriel.

La résistance aérodynamique – ou coefficient de traînée – est la principale force à laquelle le cycliste doit se mesurer une fois les 25 km/h dépassés. Là aussi, le rapport entre vitesse et résistance à l'air n'est pas linéaire : l'effort demandé avec l'augmentation de la vitesse s'accroît à un tel point qu'arrivé à un certain stade, il vaut mieux miser sur l'augmentation de l'efficacité plutôt que de la vitesse.

La résistance aérodynamique dépend de deux éléments : la pression - qui s'exerce contre les surfaces - et le frottement, qui s'exerce tangentiellement. La pression, dans le cas du cyclisme, s'exerce frontalement sur le corps du coureur et sur son dos, à cause du phénomène dit flow separation, autrement dit la séparation des deux flux d'air. La position du corps influe beaucoup sur ce phénomène, et peut l'amoindrir de façon significative comme le montre la figure suivante.

Le deuxième facteur de résistance aérodynamique provient des roues, et notamment des rayons, principaux responsables des turbulences. Il peut être remédié à ce problème en remplaçant les rayons par des disques pleins, mais cette solution ne fonctionne que lorsque le vent arrive de face, comme dans un vélodrome. Lorsqu'il est latéral, la résistance des roues devient excessive.

Pour réduire la résistance de l'air, les cyclistes recourent à des stratagèmes, tels que les casques aérodynamiques, des vêtements moulants et même l'épilation du corps.

Mais la méthode la plus efficace pour limiter la résistance de l'air est celle du travail en équipe. En se plaçant dans le sillage d'un coéquipier, on peut profiter de son flux aérodynamique et pédaler avec un moindre effort. Plus on se rapproche et plus grand est l'avantage que l'on peut en tirer, mais il ne faut pas exagérer si on ne veut pas risquer la collision ! Le graphique suivant montre les avantages pouvant être obtenus en fonction de la distance, pour un cycliste isolé et pour deux cyclistes respectivement. On observe que lorsqu'ils sont deux, le cycliste qui se trouve devant reçoit un léger avantage (ligne bleue), mais c'est celui qui suit (ligne rouge) qui en tire le plus gros bénéfice.

L'avantage d'être dans le sillage est encore plus évident lorsque l'on court en groupe. Dans ce cas, les avantages découlent de plusieurs influences réciproques. Le calcul à travers la simulation CFD nous a permis de définir la meilleure position au sein du peloton. Dans l'image qui suit et dans le graphique en histogramme, obtenus à partir de l'application FLOEFD, on peut observer que c'est le cycliste placé en tête qui fournit le plus gros effort. Cependant, on remarque également qu'aucun d'entre eux n'atteint les 100% d'effort qu'un cycliste isolé serait amené à fournir. C'est la raison pour laquelle les étapes de plaine sont souvent remportées par le peloton. Ce dernier se déplace avec une plus grande efficacité par rapport aux cyclistes isolés, et vers la fin, les sprinteurs peuvent faire une échappée et gagner l'étape.

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