Computational fluid dynamics investigation and validation on bike wheels rotating modeling

Aerodynamic drag plays an important role in cycling races and can determine victory or defeat. One of the main contributors to the overall drag of a bicycle are the wheels. The flow that develops through the rotating wheel is complex and no standard approach for simulating individual wheels can be found in the literature. High accuracy is achieved with the Sliding Mesh (SM) approach, but it requires high computational costs. Therefore, there are steady-state methods such as Rotating Wall Boundary Condition (RWBC) or Moving Reference Frame (MRF) that reduce the computational time, but it is not clear to what extent their application is sensitive to the computational parameters. This work focuses on the comparison of different rotation models applied to the lenticular wheel and spoked wheel. First, a validation test is performed comparing the simulation results with a previous wind tunnel test campaign. Then, the three standard methods (RWBC, MRF, SM) are compared for both wheels at different yaw angles to find the best way to estimate the flow and forces. A DDES simulation using MRF is performed for both wheels to verify the difference between a steady state and a transient turbulence model. For the spoked wheel, an alternative approach is also implemented based on replacing the actual spoke geometry with volume forces derived using the BET method. With this method, a better mesh quality can be obtained to avoid the meshing procedure of the spokes, which can cause skewnes. For all methods, the solutions are compared qualitatively and quantitatively. The results show that the applied rotational approach plays an important role. In particular, the MRF can have a significant impact on the flow characteristics and force prediction, even though it is widely used in the literature. An optimized way to apply the MRF approach is developed, which shows good agreement with the experimental results for both wheels.

La resistenza aerodinamica gioca un ruolo importante nelle gare ciclistiche e può determinare la vittoria o la sconfitta. Uno dei principali fattori che contribuiscono alla resistenza aerodinamica complessiva di una bicicletta sono le ruote. Il flusso che si sviluppa attraverso la ruota rotante è complesso e in letteratura non si trova un approccio standard per la simulazione delle singole ruote. L’approccio Sliding Mesh (SM)consente di ottenere un’elevata precisione, ma richiede costi computazionali elevati. Esistono quindi metodi stazionari come la Rotating Wall Boundary Condition (RWBC) o il Moving Reference Frame (MRF) che riducono il tempo di calcolo, ma non è chiaro in che misura la loro applicazione sia sensibile alle impostazioni iniziali. Questo lavoro si concentra sul confronto di diversi modelli di rotazione applicati alla ruota lenticolare e alla ruota a raggi. In primo luogo, viene eseguito un test di validazione confrontando i risultati della simulazione con una precedente campagna di test in galleria del vento. Poi, i tre metodi standard (RWBC, MRF, SM) vengono confrontati per entrambe le ruote a diversi angoli di imbardata per trovare il modo migliore per calcolare il flusso e le forze. Per entrambe le ruote viene eseguita una simulazione DDES con MRF per verificare la differenza tra un modello di turbolenza stazionario e uno transitorio. Per la ruota a raggi, viene implementato anche un approccio alternativo basato sulla sostituzione della geometria effettiva dei raggi con forze volumetriche derivate dal metodo BET. Con questo metodo, è possibile ottenere una migliore qualità della mesh per evitare la procedura di meshing dei raggi, che può causare skewness. Per tutti i metodi, le soluzioni vengono confrontate qualitativamente e quantitativamente. I risultati mostrano che l’approccio rotazionale applicato gioca un ruolo importante. In particolare, l’MRF può avere un impatto significativo sulle caratteristiche del flusso e sulla previsione della forza, nonostante sia ampiamente utilizzato in letteratura. È stato sviluppato un’applicaizone ottimizzata per l’approccio MRF, che è in linea con i risultati sperimentali per entrambe le ruote.