Aerodynamics of rotating wheels : parameter variation for tire tread designs and investigations on a generic wheel house

Wheels contribute approximately to 25% of the aerodynamic drag in passenger cars. Many geometrical elements are combined in a detailed wheel assembly and each of them requires a dedicated treatment for accurate results in numerical simulations. Starting from the state of the art in wheel rotation modeling, a parametric research on tread designs is carried out in OpenFOAM with a DDES approach for turbulence. Through an innovative and flexible nomenclature proposed in this work, many designs for longitudinal and lateral grooves have been simulated. The main objective is understanding how the complex flow field past a rotating tire is influenced by those geometrical elements and how to deal with them in the design phase. Interesting and sometimes unexpected results have been obtained, assessing that the behaviour of longitudinal and lateral grooves is different. Different is also the way in which they affect the aerodynamic performance both of the wheel assembly and of the complete car. The trends found during simulations clarify what can be expected changing the design of those geometrical elements. Wind tunnel tests (PIV and force measurements) confirm that CFD is able to capture the main features of such a complex flow and that most of the trends find a promising agreement with measurements. The QuarterCar setup is proposed as new bench test for wheel and wheelhouse design. It is based on the generic DrivAer benchmark developed at TUM and it could allow to run tests on 1:1 geometries in model wind tunnels. Based on the nomenclature introduced in this work, a completely automated procedure for tread aerodynamic optimization is proposed with the development of Tread Generator 1.0, a GUI-based program for automated tire tread geometry generation.

Le ruote contribuiscono fino al 25% della resistenza aerodinamica dei veicoli stradali. Esse sono composte da molti dettagli geometrici e ognuno richiede un trattamento specifico per ottenere risultati accurati dalle simulazioni numeriche. Lo stato dell’arte nel modellare la rotazione delle ruote è il punto di partenza per uno studio parametrico sul progetto del battistrada, effettuato in OpenFOAM con un approccio DDES per la turbolenza. In questo lavoro di tesi viene proposta una nomenclatura flessibile ed innovativa che permette di generare e testare differenti configurazioni di intagli longitudinali e laterali. L’obiettivo è capire gli effetti che questi elementi geometrici hanno sul complesso campo di moto attorno a una ruota e come utilizzare questa informazione durante le fasi di progetto. Il comportamento di intagli longitudinali e laterali è diverso, cosı̀ come è diverso il modo in cui essi contribuiscono alla performance aerodinamica della ruota isolata e del veicolo nella sua completezza. I trend indetificati possono essere usati per rendere le fasi di design più flessibili, proponendo delle regole generali per la risposta che consegue a modifiche geometriche. L’opportunità di effettuare test in galleria del vento (PIV e misure di forza) conferma la capacità delle simulazioni di descrivere le parti principali di un campo di moto complesso. La maggior parte dei trend trova un riscontro positivo con le misurazioni. Il setup QuarterCar viene proposto come nuovo apparato sperimentale per lo sviluppo delle ruote e del passaruota. Esso è basato sul modello generico di vettura DrivAer sviluppato al TUM e consente di testare geometrie in scala 1:1 all’interno di gallerie del vento per modelli. Una procedura automatica per l’ottimizzazione aerodinamica del disegno del battistrada viene proposta con l’introduzione di Tread Generator 1.0, un programma con interfaccia grafica che permette di generare differenti geometrie di battistrada attraverso la nomenclatura introdotta in questo lavoro di tesi.