Riassunto analitico
Il presente progetto di tesi si basa sul lavoro di otto mesi condotto presso l’azienda Exa GmbH, nella sede di Stoccarda, in collaborazione con Porsche.
Nel settore automotive, la crescente esigenza di precisione e tempistiche ristrette produce un’elevata richiesta di qualità nel campo delle simulazioni aerodinamiche. La simulazione deve così tener conto di molti e complessi effetti reali, rifacendosi ad una geometria del veicolo ed a condizioni di test il più possibile fedeli alla realtà.
Nonostante l’accuratezza dei risultati in campo di fluidodinamica computazionale (CFD) sia notevolmente migliorata negli ultimi anni grazie ad una migliore modellazione fisica e ad una maggiore risoluzione di calcolo, a causa della suddetta complessità i risultati sperimentali in galleria del vento sono tuttora considerati da molti come riferimento principale. Per questo i risultati delle simulazioni aerodinamiche vengono spesso confrontati con i risultati sperimentali dalla galleria del vento. Ma troppo spesso si tende semplicemente ed erroneamente a prendere la geometria CAD del veicolo, preparare e lanciare la simulazione CFD ed ottenere dei risultati da confrontare con quelli sperimentali. Con le case automobilistiche che richiedono una sempre maggiore accuratezza nel confronto tra CFD e galleria del vento, si rende necessaria un’attenta analisi degli elementi che possono influenzare la correttezza dei risultati.
Lo scopo del presente progetto di tesi è quello di trovare una correlazione tra coefficienti aerodinamici misurati sperimentalmente in galleria del vento e risultati ottenuti mediante simulazione nel cosiddetto “Digital Wind Tunnel” (un ambiente di simulazione che riproduce le condizioni su strada). Lo studente condurrà uno studio di correlazione aerodinamica su di un veicolo di serie, considerando tutti i più importanti parametri in grado di influenzare i risultati. Gli ambiti principali da affrontare saranno l’accuratezza della geometria e la risoluzione della simulazione. Verranno condotte analisi sui flussi e sulle sonde con le quali è strumentata la vettura, al fine di comprendere il comportamento simulato della vettura e l’origine dei delta rispetto ai risultati sperimentali. In parallelo si renderà necessario lo studio della Galleria del Vento Porsche per investigare le possibili influenze dell’ambiente di simulazione sull'aerodinamica della vettura. Questo verrà fatto sulla base di una geometria esistente della galleria del vento, sviluppando, attraverso diverse iterazioni, una metodologia di simulazione e calibrazione per gallerie del vento. L’obiettivo sarà quello di calibrare la galleria del vento simulata nella sua configurazione vuota (senza veicolo), replicando il più fedelmente possibile il comportamento sperimentale della galleria del vento reale in termini di gradiente longitudinale di pressione, variabili di riferimento (pressione e velocità) e profilo dello strato limite.
La fase finale è costituita dalla giunzione dei due studi condotti e appena descritti. Con la galleria del vento calibrata ed il precedente studio di correlazione aerodinamica, abbiamo a disposizione tutti gli strumenti necessari alla costruzione di una simulazione aerodinamica della vettura nella galleria del vento Porsche, al fine di studiare qualsiasi potenziale impatto dell’ambiente di simulazione sui coefficienti aerodinamici. In questa fase finale scopriremo l’importante ruolo della particolare vettura studiata, la quale diviene, grazie al “2 probes method”, l’oggetto di misura ed intrinsecamente lo strumento della misura stessa.
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Abstract
The thesis here introduced is based on 8 months’ work at Exa GmbH, in Stuttgart Office, in partnership with Porsche.
In the automotive field the need for accuracy and short time places a high demand on aerodynamic simulation quality. The simulation must account for many real-world effects, handling realistic high-fidelity geometry of the vehicle and reproducing realistic test conditions.
Even though the accuracy of Computational Fluid Dynamics (CFD) results has greatly improved in the recent years with better physical modeling and better resolution used, because of the complexity above mentioned, wind-tunnel results are still considered by many as the reference. This is why aerodynamic simulation results are most of the time compared to wind tunnel results. But it is too often simplistically believed that is sufficient to take the CAD geometry of a car, prepare and run a CFD simulation to obtain results that should be comparable. With the industries requesting accuracies of a few drag counts when comparing CFD to wind tunnel results, a careful analysis of the element susceptible of creating a difference in the results is in order.
The aim of the project is to find out a correlation between aerodynamic coefficients measured in real Wind Tunnel experiments and CFD results with the so-called “Digital Wind Tunnel” (a simulation environment that reproduces the open road conditions). The student will conduct an Aerodynamics Correlation study on a production vehicle considering all relevant parameters affecting results, to quantify the sensitivity to them. The most important topics to address are geometrical accuracy and resolution impact. Flow and probes analysis will be conducted to catch the simulated behavior of the car and understand the origin of any deltas from experiment.
In parallel the student will replicate in simulation the Porsche Wind Tunnel to investigate the possibly influence of the simulation environment on the car aerodynamics. This will be done on the basis of an existing geometry of the wind tunnel, developing through different iterations the updated Wind Tunnel Simulation Methodology. The target will be to calibrate the simulated wind tunnel in the empty configuration, replicating the experimental behavior of the real wind tunnel in terms of pressure gradient, reference variables (pressure and velocity) and boundary layer profile.
The last step of the proposed thesis will be the joint of the two studies above-mentioned. With the calibrated empty wind tunnel and the previous aerodynamics correlation study, all necessary tools are available for the construction of an aerodynamic simulation of the vehicle in the Porsche Wind Tunnel Geometry, to understand any potential impact of Digital WT (vs. Porsche DWT) on the aerodynamic coefficients. In this last phase we will eventually discover the important role of this particular vehicle studied, which becomes, through the described “2 probes method”, the object of measurements and inherently the measuring instrument itself.
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