Riassunto analitico
Le nuove ed evolute tecnologie introdotte nel settore automotive negli ultimi anni hanno consentito il raggiungimento di standard elevati in termini di consumo ed emissioni dei veicoli. Uno dei campi che però presenta ancora notevoli margini di miglioramento è l’efficienza aerodinamica. Diversi studi confermano che il contributo delle ruote ai coefficienti di portanza e resistenza rappresenta circa il 25% del valore totale. La ragione di questo importante risultato è che la rotazione delle ruote ad alte velocità produce forte vorticosità e scie turbolente di notevoli dimensioni, generate dalla separazione del flusso d’aria sui passaruota e sulla ruota stessa. Questo influisce non solo sui coefficienti aerodinamici in modo diretto, ma anche alterando i flussi che lambiscono le appendici aerodinamiche, il fondo della vettura e che entrano nei condotti di aspirazione del motore e in quelli di raffreddamento dei freni. Si rivela quindi fondamentale lo sviluppo di tecniche sempre più evolute per simulare con accuratezza l'effetto rotazionale delle ruote. Tali metodi costituirebbero la base solida su cui studiare le caratteristiche di questa interazione, consentendo un ulteriore passo in avanti verso il raggiungimento di una maggiore efficienza aerodinamica. La tesi presenta lo studio svolto sull'influenza delle metodologie di simulazione per riprodurre gli effetti aerodinamici della rotazione delle ruote, introducendo nuove e innovative soluzioni e confrontandole con le procedure correnti. La prima parte del lavoro analizza l'impatto dell'utilizzo di differenti geometrie di pneumatici, partendo da una semplice superficie regolare liscia e aggiungendo sempre più dettagli, fino all'implementazione di ruote scansionate tridimensionalmente. In parallelo è svolto uno studio delle diverse tecniche per simulare la rotazione dei cerchi, valutando l'impatto delle funzioni MRF (Moving Reference Frame) e Sliding Mesh sulle forze e sulla struttura dei flussi. Nella seconda parte si sperimenta una nuova metodologia che introduce tre coefficienti di rugosità superficiale per riprodurre l'effetto degli intagli e dei tasselli su una geometria semplificata delle ruote, rispettando così i vincoli imposti dalle condizioni al contorno. L'obiettivo è di migliorare la precisione della simulazione senza incrementare il costo computazionale. La terza fase mira a sviluppare un nuovo codice di calcolo che consenta, tramite un sistema di riferimento tempo-dipendente, di ruotare la geometria completa delle ruote durante la simulazione, riproducendo realisticamente i flussi in prossimità della zona d’impronta a terra tramite condizioni al contorno variabili nel tempo. I risultati mostrano che il livello di dettaglio delle geometrie e delle condizioni al contorno applicate alle ruote giocano un ruolo importante nella determinazione dei coefficienti di portanza e resistenza aerodinamica. L'utilizzo della condizione Slinding Mesh si rivela fondamentale per la riproduzione dei flussi attraverso i cerchi, mentre l'utilizzo di ruote ad elevato dettaglio migliora l'accuratezza, ma viola i requisiti imposti dalle condizioni al contorno. Questo problema è risolto con l'introduzione del nuovo metodo a tre livelli di rugosità superficiale, il quale mostra ottimi risultati di accuratezza, ma un costo computazionale superiore alle previsioni. Il nuovo codice di calcolo, testato solamente su ruota svincolata dal veicolo, mostra importanti passi avanti nella riproduzione delle macrostrutture del flusso d'aria e fornisce nuove prospettive per la simulazione di ruote in completa rotazione.
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Abstract
With the enhancement of the new technologies in the automotive field in terms of fuel consumption and emissions, one of the main challenge that still has vast room of improvement is the aerodynamic efficiency. The contribution of the wheels is estimated at about the 25% of the overall drag and lift coefficient, the reason of this important result is that the rotation of the wheels produce large turbulent wakes and strong trailing vortices, due to the early separation of the flow. This affects not only directly the drag and lift coefficients, but also the important flows passing under the car, through the engine intake, the aero kits, the cooling systems and brakes. Therefore, understanding the effects of the wheels and having the most accurate representation in the simulation could significantly improve the prediction of integral quantities such as drag and lift and consequently facilitate the process to reach higher aerodynamic standards.
In this thesis an investigation of the influence of the simulation's methodology to replicate the rotational wheel's effect is presented, introducing improved and advanced techniques and comparing them to the current methodology. The first phase of the work is focused on the impact of different tire's geometries, starting from a simply smooth shape and ending with a full detailed scanned tire. The effect of MRF (Moving Reference Frame) and Sliding Mesh setup on the rim is also investigated, evaluating the impact on the forces and on the flow structures. In the second phase an improved methodology involving a rotational boundary condition with three levels of roughness on a smooth tire is tested, in order to improve the efficiency of the simulation while reducing the computational effort. The aim of the third phase is to develop a new numerical code that allows to rotate the full wheel through a time- dependent coordinate system and reproducing realistically the flow structures around the contact patch with time-dependent boundary conditions.
The results show that the tires' level of detail and the boundary conditions applied on the wheels play a significant role on the forces prediction, as well as in the flow behavior. The Sliding Mesh setup comes out to be necessary for an accurate simulation, while the full detailed tire grant good results but violate the boundary conditions requirements. This issue is avoided with the new three level roughness method, which shows a better accuracy, but a higher computational cost than expected. The new code to simulate the rotational effect of the full tire give new insight in improving the reproduction of flow structures on isolated-wheels simulations.
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