Motorcycle aerodynamics: a CFD study from airfoil selection to winglet design for downforce increase and lap time reduction

The Work of this thesis consists of analyzing the aerodynamic behavior of a racing motorcycle. In particular, the study mainly focuses on the performance comparison of the entire motorcycle equipped with aerodynamic winglets versus the base case without them. Especially in recent years, many studies have been devoted to this area, however, for reasons related to the secrecy and competitiveness among the various racing teams that is present in motorsport, few reliable results and notions have been made public. Therefore, the present study wants to start from the beginning with the design of a new aerodynamic winglet for this purpose. With the help of some existing documentation related to aerodynamics for low Reynolds numbers and aerodynamic appendage design for automotive applications, the study starts, after a validation through wind tunnel data, with a comparison via CFD of several existing airfoils. Once the profile that was best suited to working conditions imposed by the current was decreed, the design of the actual fin was proceeded with. At this stage a number of geometrical parameters such as Aspect ratio, Taper Ratio, deflection angle, and addition of endplates were analyzed. Each noteworthy behavior was compared with phenomena already present and explained in the literature. In the last step, the aerodynamics of the whole bike is analyzed by comparing the results obtained with and without the use of the winglets. The coefficients and forces from the CFD model were later reported within a simplified Matlab dynamic model in order to obtain an estimation of maximum acceleration and deceleration in rectilinear motion and maximum speed at mid-corner. CFD results of whole motorbike were compared with experimental wind tunnel test done by Polimi Motorcycle Factory in order to validate our model. This thesis work shows that aerodynamic appendages can mainly benefit motorbikes with high power.

Il lavoro di questa tesi consiste nell'analizzare il comportamento aerodinamico di una moto da corsa. In particolare, lo studio si concentra principalmente sul confronto delle prestazioni dell'intera moto, equipaggiata con alette aerodinamiche sulla carena, rispetto al caso base che ne è privo. Molti studi sono stati dedicati a questo settore, soprattutto negli ultimi anni, tuttavia, per ragioni legate alla segretezza e alla competitività tra i vari team da corsa presenti nel motorsport, pochi risultati e nozioni affidabili sono stati resi pubblici. Pertanto, il presente studio vuole partire dall'inizio con la progettazione di una nuova aletta aerodinamica per questo scopo. Con l'aiuto di alcuni documenti esistenti relativi all'aerodinamica per bassi numeri di Reynolds e alla progettazione di appendici aerodinamiche per applicazioni automobilistiche, lo studio inizia, dopo una convalida attraverso i dati della galleria del vento, con un confronto tramite CFD di diversi profili aerodinamici esistenti. Una volta decretato il profilo più adatto alle condizioni di lavoro imposte dalla corrente, si è proceduto alla progettazione della aletta vera e propria. In questa fase sono stati analizzati diversi parametri geometrici come l'Aspect Ratio, il Taper Ratio, l'angolo di freccia e l'aggiunta di endplates. Ogni comportamento degno di nota è stato confrontato con fenomeni già presenti e spiegati in letteratura. Nell'ultima fase, è stata analizzata l'aerodinamica dell'intera moto, confrontando i risultati ottenuti con e senza l'uso delle alette. I coefficienti e le forze ricavati dal modello CFD sono stati successivamente riportati all'interno di un modello dinamico semplificato in Matlab, al fine di ottenere una stima dell'accelerazione e della decelerazione massime in moto rettilineo e della velocità massima a metà curva. I risultati CFD dell'intera moto sono stati confrontati con i test sperimentali in galleria del vento effettuati dal reparto corse del Polimi, al fine di validare il nostro modello. Questo lavoro di tesi dimostra che le appendici aerodinamiche possono giovare soprattutto alle moto di elevata potenza.