Evaluation of alternative cfd approaches for the numerical simulation of rotating rims

It is accepted by the aerodynamic community that wheels play an important role in a passenger car force balance. Flow developed by rotating wheels is complex and becomes even more challenging to be simulated when open rims are considered. High accuracy is usually obtained using the Sliding Mesh (SM) approach to treat rim rotation, but this comes at an high computational cost. Other methods commonly employed, like Rotating Wall or Moving Reference Frame, do not realistically consider the dynamic nature of the problem, thus producing solutions closer to a stationary wheel. This work proposes two alternative approaches for the simulation of open rims with ex- tremely lower computational requirements. Both methods, namely Actuator Line and Rotor Disk, are based on replacing the actual spokes geometry with volume forces, de- rived by the preliminary aerodynamic characterization of the body. The first is thought to keep transient features of the problem and the latter to obtain a less expensive steady- state solution. These methods are evaluated on four different test cases, with growing complexity and similarity to a real operative situation. For each case, solutions of pro- posed approaches are compared with reference SM results. Firstly, a simple rim with cylindrical spokes is analyzed when placed inside a co-rotating pipe, then the rim is replaced by the one from the DrivAer model. In the third step the complete isolated DrivAer wheel is rolling on the ground and finally the whole car is analyzed with both rotating wheels. Agreement is obtained for several flow aspects, some dynamic features are well kept by models. A large reduction in time and resource consumption is observed making those approaches promising alternatives for the simulation of rotating wheels.

È un fatto comunemente noto in ambito aerodinamico che le ruote giochino un ruolo importante nel bilancio di forze di una automobile stradale. Il flusso sviluppato dalle ruote in rotazione è complesso e diventa ancora più impegnativo da simulare se si considerano cerchi aperti. Elevata precisione è solitamente ottenuta utilizzando il metodo Sliding Mesh (SM), a scapito però, di grandi costi computazionali. Altri metodi comunemente impiegati, come Rotating Wall e Moving Reference Frame, non tengono conto della natura intrinsecamente dinamica del problema, producendo quindi soluzioni più simili a quelle di una ruota stazionaria. Il presente lavoro propone due approcci alternativi per la simulazione di cerchi aperti con costi computazionali estremamente inferiori. Entrambi i metodi, cioè Actuator Line e Rotor Disk, si basano sul sostituire la reale geometria della razza con forze di volume, ricavate grazie ad una caratterizzazione aerodinamica preliminare del corpo. Il primo metodo è pensato per mantenere le caratteristiche dinamiche del problema, mentre il secondo per ottenere una meno dispendiosa soluzione stazionaria. Questi metodi vengono valutati su quattro diversi scenari di prova, di crescente complessità e similarità ad una situazione realmente operativa. Per ogni scenario, le soluzioni degli approcci proposti vengono confrontati con i risultati di riferimento prodotti con SM. Inizialmente, viene studiato un semplice cerchio a razze cilindriche posto in un condotto co-rotante, successivamente il cerchio è sostituito con quello del modello DrivAer. Nel terzo scenario una singola e completa ruota DrivAer è posta in rotazione al suolo; infine viene analizzata l’intera automobile con entrambe le ruote in rotazione. Si ottiene buona correlazione per molti aspetti del flusso, le caratteristiche dinamiche vengono riprodotte dai modelli proposti. Si osserva una grande riduzione nel consumo di tempo e risorse, suggerendo come questi metodi possano diventare promettenti alternative per la simulazione delle ruote.