Aerodynamics of rotating wheels : study of the numerical method and influence of rim design

Nowadays, energy efficiency is one of the most discussed topics in the automotive world. There is an increasing trend towards total and partial electrification of vehicles, and this has increased even more the need to reduce consumption as much as possible since the charging stations are definitely lower than the fuel stations and not always available to those who need it. Therefore, reducing the aerodynamic resistance of a vehicle can cer- tainly benefit in terms of fuel consumption, but also to improve performance. One of the component on a vehicle that most influence all this are definitely the wheels, with a 25% contribution; in fact, this thesis work comes from the necessity to study through CFD simulations and wind tunnel the wheels and in order to understand what are the characteristics of a tire and rim that influence the entire aerodynamics and consequently which improvements apply. In particular, attention is paid to the grooves on the tread (lateral and longitudinal) and to the shape of the shoulders of the tire. In the past many studies have been carried out, both experimental and numerical, but given the complexity of the topic, not all the results are in agreement with each other. From the computational point of view, the Sliding Mesh (SM) method is the most accurate approach to simulate the rotation of an object, as it shows results more similar to the real ones, however, the aim of this thesis work is to ascertain whether the Moving Reference Frame (MRF) method can also lead to acceptable results, with the aim of greatly reducing the computation cost and the time required by the simulation. Another goal of this study is to understand which could be the best area of applica- tion of the MRF and consequently to use it coupled with the method of Rotating Wall Boundary Condition (RWBC) which is known not to be appropriate for cases where it is necessary to have normal speed components, due to the violation of of mass conservation. For this reason, 3D models of tyres with only longitudinal grooves will be used, so as not to run into this type of problem. Finally, it is wanted to analyze the influence of the rim on the aerodynamics of the entire wheel, initially using a closed rim and then two different designs of rims with spokes to simulate a more real situation. For simulating the flow field, RANS equations have been used. They are widespread especially in industrial simulations and OpenFOAM v1912 has been used.

Al giorno d’oggi l’efficienza energetica `e uno dei temi piu` discussi nel mondo automo- tive. Infatti, si sta procedendo sempre di piu` verso una elettrificazione dei veicoli, sia in maniera totale che parziale, e questo ha aumentato ancora di piu` la necessit`a di ridurre il piu` possibile i consumi dal momento che le stazioni di ricarica sono sicuramente inferiori rispetto ai distributori di carburante e non sempre sono a disposizione di chi ne ha neces- sit`a. Perci`o, ridurre la resistenza aerodinamica di un veicolo pu`o sicuramente giovare in termini di consumi, ma anche per migliorarne le prestazioni. Uno dei componenti che influenza di piu` tutto ci`o sono sicuramente le ruote, con il 25% di contributo; infatti questo lavoro di tesi nasce dalla necessit`a di studiare tramite simu- lazioni CFD e in galleria del vento le ruote in modo da capire quali sono le caratteristiche dei pneumatici e cerchi che influenzano di piu` l’intera aerodinamica e di conseguenza quali miglioramenti applicare. In particolar modo, viene posta molta attenzione agli intagli pre- senti sul battistrada (laterali e longitudinali) e alla forma delle spalle del pneumatico. In passato sono stati svolti molti studi, sia sperimentali che numerici, ma vista la complessita` dell’argomento, non tutti i risultati sono concordi tra di loro. Dal punto di vista computazionale, il metodo dello Sliding Mesh (SM) `e l’approccio piu` accurato per simulare la rotazione di un oggetto, in quanto mostra risultati piu` simili a quelli reali, tuttavia in questo lavoro di tesi si vuole verificare se anche il metodo del Moving Reference Frame (MRF) pu`o portare a risultati accettabili, con l’obbiettivo di ridurre notevolmente il costo computazione e il tempo richiesto dalla simulazione. Un ulteriore scopo di questo studio `e anche quello di capire quale potrebbe essere la miglior zona di applicazione del MRF e di conseguenza adottarlo insieme al metodo del Rotating Wall Boundary Condition (RWBC) siccome `e noto per non essere adeguato a casi in cui `e necessario avere componenti normali di velocit`a per la violazione della con- servazione della massa. Per questa ragione, verranno utilizzati modelli 3D di pneumatici con solamente intagli longitudinali, in modo da non incorrere in questo tipo di problema. Per ultimo, si `e voluto anche analizzare l’influenza dei cerchi sull’aerodinamica dell’intera ruota, utilizzando inizialmente un cerchio chiuso e successivamente due design differenti di cerchi con razze a simulare una situazione piu` reale. Per simulare il campo di moto sono state utilizzare equazioni di turbolenza RANS. Queste sono molto diffuse sopratutto nelle simulazioni a scopo industriale e per implementarle `e stato utilizzato OpenFOAM v1912.