CFD study of isolated tires. Investigation of the aerodynamic features

PURPOSES OF THIS THESIS WORK is the aerodynamic analysis of a tire in order to identify which are the geometrical characteristics which more influence its behaviour during the turning. The three tire models, provided by Pirelli Tyre S.P.A. group, have been compared in undeformed and deformed configuration. The discretization stage and the follow analyses have been done using the open source OpenFOAM software. In order to study the influence of the tire on the aerodynamic performances of a wheel, the geometries have been modified: the rim has been substituted by plates which close in both the geometries in both the sides and the lateral tread grooves are not considered. The first step of study has been dedicated to the computational domain and so to the mesh sensitivity analysis. The three undeformed models have been compared in different conditions: they have been analysed in case of "suspended" tires and tires in contact with the moving ground. The deformed tire have been analysed only in condition of contact with the ground. All the analyses have been dove applying to the wheel a feed velocity of 90 km/h. In the case of undeformed tires in contact with the ground, has been verified the influence of how the longitudinal tread grooves, in the contact patch, influence the final values of the aerodynamic coefficients. The results of these analyses have been highlight which are the geometrical characteristics affect the field of motion, the vortices shape and the aerodynamic coefficients. In particular: a shoulder radius more pronounced causes a more extended separation on the lateral surface of the wheel; how the tire deforms on the contact patch (deformed tires cases) influences on the two vortices generated behind the wheel at the ground level, main culprits of the turbulence. In parallel to these analyses, two research works, about the CFD model of a tire, have been done:It has been studied how to extract the separation point of the boundary layers, in cases in which the immersed bodies were a fixed cylinder and a rotating cylinder. It has been created a MATLAB code able to extract the separation point from the analysis of the velocity profiles generated around the cylinder. This approach identifies the boundary layer separation point even if it is not on the body surface. It has been studied the possibility to model the lateral tread grooves through the application of the roughness on the surface of the tire. It has been possible to model only a part of their effects, in particular their influence on the drag coefficient.

OBIETTIVO DI QUESTO LAVORO DI TESI è l’analisi aerodinamica di un pneumatico per identificare quali sono le caratteristiche geometriche che più influenzano il suo comportamento durante il rotolamento. Tre modelli di pneumatico, forniti dalla società Pirelli Tyre S.P.A., sono stati confrontati in configurazione non deformata e deformata. La fase di discretizzazione del dominio e le analisi sono state fatte utilizzando il programma open source OpenFOAM. Al fine di studiare solo l’influenza del pneumatico sulle prestazioni aerodinamiche di una ruota, le geometri sono state modificate: il cerchione è stato sostituito da superfici piane che chiudono le geometrie da entrambi i lati e le scolpiture laterali del battistrada non sono state considerate. La prima fase di studio è stata dedicata al dominio di calcolo e quindi all’analisi di sensitività su di esso. I tre modelli non deformati sono stati paragonati in diverse condizioni: sono stati analizzati i casi di pneumatici "sospesi" e pneumatici a contatto con il terreno in movimento. I pneumatici deformati sono stati analizzati solo in condizione di contatto con il suolo. Tutte le analisi sono state svolte applicando alle ruote una velocità di avanzamento di 90 km/h. Nel caso di pneumatici non deformati a contatto con il terreno è stata verificata l’influenza di come le scanalature longitudinali del battistrada, nella regione di contatto, influenzino i valori finali dei coefficienti aerodinamici. I risultati di queste analisi hanno evidenziato quali sono gli aspetti geometrici influenzino il campo di moto del fluido, la forma dei vortici e i coefficienti aerodinamici. In particolare: un raggio della spalla più pronunciato causa una separazione più estesa sulla superficie laterale della ruota; come il pneumatico si deforma nella zona di contatto (casi di ruote deformate) influisce su i due vortici generati dietro alla ruota a livello del terreno, principali responsabili della turbolenza. Parallelamente a queste analisi, due lavori di ricerca, sempre riguardanti il modello CFD di un pneumatico, sono stati svolti: E’ stato studiato come poter estrarre il punto di separazione dello strato limite nei casi in cui i corpi immersi fossero un cilindro fisso e un cilindro rotante. E’ stato creato un codice in MATLAB in grado di estrarre il punto di separazione dall’analisi dei profili di velocità generati attorno al cilindro. Questo approccio identifica il punto di separazione dello strato limite anche se esso non è sulla superficie del corpo. E’ stata studiata la possibilità di modellare le scanalature laterali del battistrada attraverso l’applicazione di rugosità sulla superficie del pneumatico. E’ stato possibile solo riprodurre in parte il loro effetto e nello specifico riprodurre la loro influenza sul coefficiente di drag.