Assessing the Aerodynamics of an Able-Bodied Cyclist and Shoulder-Amputee Cyclist by Computer Fluid Dynamics

Abstract

This study aimed to analyse the aerodynamics by numerical simulations with computer fluid dynamics of an able-bodied cyclist and a shoulder-amputee cyclist. An elite cyclist volunteered for this research; the cyclist was scanned with his competition gear and bicycle and the able-bodied and shoulder amputee 3D cyclists models were created. Numerical simulations were conducted between 1 m/s and 13 m/s (with increments of 1 m/s) with the fluent code. The effective surface area (ACd) varied between 0.38 and 0.59 m2 for the able-bodied cyclist; whereas, for the shoulder-amputee, it varied between 0.29 m2 and 0.62 m2. The ACd difference between the able-bodied and the amputee ranged from 3% to 28% and the drag differed between 2% and 19%. The drag coefficient ranged between 0.55 and 0.84 for the able-bodied and from 0.45 and 0.92 for the shoulder-amputee. The drag ranged across the different velocities (1-13 m/s) from 0.36 N – 39.25 N for the able-bodied cyclist and for the shoulder-amputee between 0.38 N – 31.69 N. The two cyclist models presented significant differences and small effect sizes (t = 2.720; p = 0.019; d = 0.18). The linear regression models computed the drag differences between the able-bodied and the disabled cyclist; a significant relationship and very high effect sizes for drag (R2 = 0.997; R2a = 0.995; SEE = 0.996; p < 0.001) were observed. This study allowed us to conclude that the shoulder-amputee cyclist presents a lower drag compared to the able-bodied one.

Este estudio tuvo como objetivo analizar la aerodinámica mediante simulaciones numéricas con dinámica de fluidos computacional de un ciclista sin discapacidad y un ciclista con amputación de hombro. Un ciclista de élite se ofreció como voluntario para esta investigación; el ciclista fue escaneado con su equipo de competición y bicicleta, y se crearon modelos tridimensionales de ciclistas con y sin discapacidad de hombro. Se realizaron simulaciones numéricas entre 1 m/s y 13 m/s (con incrementos de 1 m/s) con el código Fluent. El área efectiva de superficie (ACd) varió entre 0.38 y 0.59 m2 para el ciclista sin discapacidad, mientras que para el ciclista con amputación de hombro varió entre 0.29 m2 y 0.62 m2. La diferencia de ACd entre el ciclista sin discapacidad y el amputado de hombro osciló entre el 3% y el 28%, y la resistencia varió entre el 2% y el 19%. El coeficiente de resistencia varió entre 0.55 y 0.84 para el ciclista sin discapacidad y entre 0.45 y 0.92 para el ciclista con amputación de hombro. La resistencia varió en las diferentes velocidades (1-13 m/s) desde 0.36 N hasta 39.25 N para el ciclista sin discapacidad y desde 0.38 N hasta 31.69 N para el ciclista con amputación de hombro. Los dos modelos de ciclistas presentaron diferencias significativas y tamaños de efecto pequeños (t = 2.720; p = 0.019; d = 0.18). Los modelos de regresión lineal calcularon las diferencias de resistencia entre el ciclista sin discapacidad y el ciclista discapacitado; se observó una relación significativa y tamaños de efecto muy altos para la resistencia (R2 = 0.997; R2a = 0.995; SEE = 0.996; p < 0.001). Este estudio nos permitió concluir que el ciclista con amputación de hombro presenta una resistencia menor en comparación con el ciclista sin discapacidad.