Impact of wheel lateral position on car aerodynamics using CFD

The aim of this thesis is to study the effect of changing the car wheels lateral position with respect to the car body on the aerodynamics of the whole vehicle, looking for the best possible lateral position of the wheels to reduce car drag. The idea of this study is driven from the global strong incentive to reduce the environmental effect of cars, by reducing fuel consumption. Another stimulation is the current electric cars revolution, which rises the need of increasing their driving range. Car wheels play an important role in car aerodynamics making it one of the main components in the studies to improve cars’ drag coefficient. Many studies have been conducted about tire and rim geometry optimization to reduce drag, but in this study the position of wheels with respect to the car body will be studied, focusing on the drag coefficient and the interaction between wheels and car body flow. This can open a new path in the improvement of wheels’ impact on cars’ aerodynamic behavior. This numerical simulation study is done using a CFD software OpenFOAM, and Paraview for post-processing, visualization, and analysis. The study was done on two different cars, to check if the change in behavior applies to all cars or may differ. The first car model used is the DrivAer from TUM (Technical University of Munich), the second car used for comparison is the AeroSUV developed by Röchling automotive in conjunction with the University of Stuttgart. The configuration used for both cars is smooth underbody, slick tires, and closed rim. The ground was modelled as moving wall and wheels as rotating wall to account for ground effect and wheel rotation. The study is done with five different positions other than the initial position for each car respectively, with a displacement of 25mm and 50 mm both to the inside and outside of the wheel housing, and 200mm to the outside of the wheel housing. The results are similar for both cars, it was found that moving the wheels laterally inside the wheel housing is the best approach to reduce drag coefficient on all components of the car (car body, wheels, and the whole car), the maximum reduction of drag coefficient in DrivAer is of 0.031, while in AeroSUV the maximum is of 0.037. On the other hand, moving the wheels to the outside of the wheel housing will linearly increase drag coefficient, it was also found that the DrivAer has higher sensitivity in the outside displacement than the AeroSUV.

Lo scopo di questa tesi è studiare l'effetto della modifica della posizione laterale delle ruote dell'auto rispetto alla carrozzeria dell'auto sull'aerodinamica dell'intero veicolo, cercando la migliore posizione laterale possibile delle ruote per ridurre la resistenza dell'auto. L'idea di questo studio è guidata dal forte incentivo globale a ridurre l'effetto ambientale delle automobili, riducendo il consumo di carburante. Un altro stimolo è l'attuale rivoluzione delle auto elettriche, che aumenta la necessità di aumentare la propria autonomia. Le ruote delle auto svolgono un ruolo importante nell'aerodinamica delle auto, rendendole uno dei componenti principali negli studi per migliorare il coefficiente di resistenza aerodinamica delle auto. Sono stati condotti molti studi sull'ottimizzazione della geometria di pneumatici e cerchioni per ridurre la resistenza aerodinamica, ma in questo studio verrà studiata la posizione delle ruote rispetto alla carrozzeria, concentrandosi sul coefficiente di resistenza aerodinamica e sull'interazione tra le ruote e il flusso della carrozzeria. Questo può aprire una nuova strada nel miglioramento dell'impatto delle ruote sul comportamento aerodinamico delle auto. Questo studio di simulazione numerica viene eseguito utilizzando un software CFD OpenFOAM e Paraview per la post-elaborazione, la visualizzazione e l'analisi. Lo studio è stato condotto su due auto diverse, per verificare se il cambiamento di comportamento si applica a tutte le auto o potrebbe differire. Il primo modello di auto utilizzato è la DrivAer della TUM (Università tecnica di Monaco), la seconda vettura utilizzata per il confronto è l'AeroSUV sviluppato da Röchling automotive in collaborazione con l'Università di Stoccarda. La configurazione utilizzata per entrambe le vetture è sottoscocca liscia, pneumatici slick e cerchio chiuso. Il terreno è stato modellato come un muro mobile e le ruote come un muro rotante per tenere conto dell'effetto suolo e della rotazione delle ruote. Lo studio viene eseguito con cinque diverse posizioni diverse da quella iniziale per ciascuna vettura, rispettivamente, con uno spostamento di 25 mm e 50 mm sia all'interno che all'esterno del passaruota e 200 mm all'esterno del passaruota. I risultati sono simili per entrambe le vetture, si è riscontrato che lo spostamento delle ruote lateralmente all'interno del passaruota è l'approccio migliore per ridurre il coefficiente di resistenza aerodinamica su tutti i componenti della vettura (carrozzeria, ruote e l'intera vettura), la massima riduzione di il coefficiente di resistenza aerodinamica in DrivAer è di 0,031, mentre in AeroSUV il massimo è di 0,037. D'altra parte, spostando le ruote all'esterno del passaruota aumenterà linearmente il coefficiente di resistenza aerodinamica, inoltre è stato riscontrato che il DrivAer ha una sensibilità maggiore nella cilindrata esterna rispetto all'AeroSUV.