Riassunto analitico
In questa tesi è stato svolto un approfondito studio riguardante la ventilation drag delle ruote e i suoi effetti sulla resistenza aerodinamica complessiva, per un modello DrivAer in scala 1:4. In primo luogo viene presentato l'intero processo di validazione basato sul confronto fra le misurazioni sperimentali, svolte in galleria del vento, ed il corrispettivo modello CFD. Differenti configurazioni del modello DrivAer sono state esaminate. La configurazione notchback dotata di cerchioni a cinque razze è stata definita come configurazione di riferimento. Inoltre sono state prese in esame diverse tipologie di cerchione, spoiler davanti alle ruote anteriori e differenti configurazioni del sistema di aerazione. Nel corso della ricerca è stata presa in considerazione anche l'influenza dei parametri aerodinamici come il numero di Reynolds e lo yaw angle. I dati sperimentali comparati alle simulazioni CFD sono ragionevoli per considerare robusto e accurato l'intero processo di validazione. Quanto ricavato fornisce un primo importante risultato del lavoro di ricerca. Si è dimostrato come la galleria del vento in scala 1:4 sia sensibile anche a piccole variazioni di ventilation drag e quindi sia utilizzabile come strumento di ricerca nello studio della ventilation drag al fine di minimizzare i costi e i tempi di lavoro.
Nella seconda parte di questo studio sono stati esaminati i diversi parametri della geometria del cerchione che più influenzano le prestazioni aerodinamiche della vettura. In particolare è stata studiata l'influenza dell'area di ricoprimento, l'angolo di incidenza delle razze e il numero delle razze stesse. I risultati evidenziano come la variazione della ventiation drag sia in gran parte generata da forze di pressione. Sarà quindi necessario, in fase di progettazione, considerare come zone di maggior importanza, tutte le superfici del cerchione dove il campo di pressione è in grado di generare un momento frenante. Inoltre è stato provato come il flusso di aria attraverso le ruote sia una delle principali cause che porta alla variazione del campo di pressione e di conseguenza della ventilation drag stessa. Allo stesso modo il disco freno non presenta un' influenza diretta sulla resistenza. Tuttavia ostruisce il flusso nella zona più interna della ruota forzando il passaggio nella zona esterna. Questo fenomeno è fondamentale per capire come simili valori di area di ricoprimento possano portare ad un comportamento aerodinamico molto differente. Contrariamente il sistema di raffreddamento non sembra influenzare in alcun modo la resistenza fornita dalle ruote e a sua volta non viene influenzato dal variare della geometria del cerchione. La portata d'aria misurata attraverso le ruote anteriori risulta strettamente legata all'area di ricoprimento ed influenza direttamente la resistenza complessiva della vettura. Analogamente la portata d'aria passante attraverso le ruote posteriori è stata individuata essere la principale causa di variazione della ventilation drag. Studiando il flusso circostante le ruote non è stata trovata alcuna influenza reciproca fra assale anteriore e posteriore. Questo permettere un'ottimizzazione indipendente della geometria dei cerchioni sui diversi assali. Infine è stato svolto un confronto fra una configurazione ibrida dotata di differenti cerchioni sui due assali e una configurazione con cerchioni completamente chiusi, generalmente considerata come la configurazione di minor resistenza all'avanzamento. I risultati dimostrano come i due modelli seppur molto differenti nel comportamento aerodinamico presentato un valore del coefficiente di resistenza aerodinamica quasi equivalente. Questa è un'ulteriore prova dell'importanza dello studio della ventilation drag in fase di progettazione. Trascurare tale quantità potrebbe portare a risultati fallaci e contraddittori nella determinazione della resistenza aerodinamica totale.
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Abstract
In this work the ventilation resistance of rotating wheels on a quarter scale DrivAer model is investigated. A validation study is presented, comparing wind tunnel measurements to a corresponding CFD model. Different configurations of the DrivAer model are considered. The DrivAer notchback configuration fitted with a five spokes rim design (standard rim) is defined as the baseline. Open and closed cooling configurations as well as two additional rim designs (closed rim and generic rim) and the influence of front wheel spoilers was studied. Furthermore, the dependence of the baseline DrivAer model on different yaw angles and Reynolds numbers was investigated. The estate back DrivAer model with open and closed cooling system was also considered. The measurements, compared to CFD results, are reasonable to consider the entire validation process robust and accurate. Thus, the model scale wind tunnel can resolve also small variations of ventilation drag.
With the validated simulation model, the influence of different rim design parameters on the ventilation drag was investigated. Furthermore, the effects on the overall drag, defined as the sum between the aerodynamic and the ventilation drag, has been taken into account. The dependency on the coverage area, on the spoke head angle and on different number of spokes was studied. Results point out how the change of ventilation resistance is mostly generated by pressure forces. Therefore, all the surfaces of the rim, where the acting pressure field can generate a ventilation torque, are the most sensitive regions to be considered in the design process. Furthermore, the airflow through the rims is proven to be one of the main causes of the pressure field variation, and hence of the change of ventilation drag. The brake disc does not affect directly the ventilation drag. However, it obstructs the airflow in the inner radial region of the rim, forcing the passage in the outer region. This phenomenon is crucial to understand how similar values of coverage area may lead to a different aerodynamic behavior. It was shown that the airflow through the cooling system is not affected by the rim design. The flow rate measured through the front wheels is strongly related to the coverage area and it directly affects the aerodynamic drag. On the contrary, the change of ventilation resistance is mainly related to the rear wheels. Studying the airflow surrounding the wheels, no reciprocal influence between front and rear axis is found. Lastly, a hybrid configuration, where the baseline is fitted with closed rims on front axis and open rims on rear axis, is presented. It is proven to be comparable to the fully covered configuration, as regard the overall aerodynamic resistance. This is a further evidence of the importance of taking into account, in the whole aerodynamic design, the overall balance between the aerodynamic and the ventilation resistance.
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