Fast CFD methodologies for automotive applications

Aerodynamics plays a critical role in the high performance automotive industry, deter- mining car’s handling qualities, as well as maximum speed and fuel consumption. This is the reason why in this research branch, car manufacturer investments in terms of human resources, development time and assets grow more and more. The car development work- flow includes a strong cohesiveness between the design unit and the aerodynamic one; with the first that plays the fundamental role in achieving customers demands and ulti- mately setting the brand’s identity with its products, while the second one has to traduce this practical art work into the achievement of performance goals. Often though, this development process can be demanding if the initial outputs of the design phase do not match the required aerodynamic performance. Moreover, since accurate Computational Fluid Dynamics (CFD) models require a great amount of time and cost resources, the more iterations required from the design approval process the more is the probability of delays for the final car shape, with potentially disastrous consequences for the company economy. In this context this study wants to analyse and compare fast computational fluid dynamics models, with the aim of finding a solution in terms of pressure distribution and general flow pattern for external car aerodynamics to be integrated in the design process and help designers understand how the current car shape affects the aerodynamic behaviour of the model. Three methods are proposed: a 3D panel method, that entails a wake model; Euler equations, coupled with optimised coarse grids and a GPU based software that solves the RANS equations. The structure of the study is organised as follows: • Chapter one: Includes a brief introduction to the governing equations and the basic principles of the panel method and the finite volume method. Then, 2D and 3D test cases are presented; • Chapter two: Includes a detailed explanation of the constant source and doublet scheme at the root of the panel method software used for this scope (APM); • Chapter three: Includes an explanation of the theory linked to numerical viscosity, for both the finite difference and finite volume technique; then the Euler equations coupled with optimized coarse grids method is applied in the square cylinder and the Ahmed body test case; • Chapter four: Is about the GPU based software (Ansys Discovery); it is explained its meshing approach theory and solvers, then it is tested for the NACA0012, cylin- der section, sphere and Ahmed body cases. • Chapter five: Includes the results of each different method for its related test cases in terms of aerodynamic coefficient and required simulation time; • Chapter six: Presents a summary of the whole study and ultimately shows possible future developments.

L’aerodinamica ha un ruolo cruciale nell’industria delle automobili ad alte prestazioni, determinando la manovrabilità della macchina, così come la sua velocità massima e il consumo. Questo è il motivo per cui in questo campo di ricerca, gli investimenti delle aziende costruttrici in termini di risorse umane, tempo di sviluppo e assets crescono sempre di più. Il processo di sviluppo dell’autovettura include una forte coesione tra il di- partimento di design e quello aerodinamico; con il primo che gioca un ruolo fondamentale nel raggiungimento delle richieste dei clienti e in essenza andando, con i suoi prodotti, a determinare l’identità del brand, mentre il secondo deve tradurre questo lavoro artis- tico nel raggiungimento degli obiettivi di performance. Spesso tuttavia, questo processo di sviluppo può essere arduo se gli output iniziali della fase di design non incontrano le richieste di performance aerodinamiche. Inoltre, siccome i modelli accurati di fluidodi- namica computazionale richiedono un gran costo in termini di tempo e risorse, quanto più numerose sono le iterazioni necessarie per concludere la fase di design, quanto più è alta la probabilità di ritardi per deliberare la forma finale dell’autovettura, potenzialmente con conseguenze disastrose per le economie dell’azienda. In questo contesto questo stu- dio vuole analizzare e confrontare modelli di fluidodinamica computazionale veloci, con l’obiettivo di trovare soluzioni in termini di distribuzione di pressione e caratteristiche dei flussi per l’aerodinamica esterna di autoveicoli, da integrare nel processo di design per aiutare i designers a capire come le forme dell’autovettura influenzino il comportamento aerodinamico del modello. Sono proposti tre modelli: un metodo a pannelli 3D, che in- clude una modellazione di scia; le equazioni di Eulero, insieme a griglie ottimizzate e un software basato sulla risoluzione delle equazioni RANS con GPU. La struttura di questo studio è così organizzata: • Capitolo uno: Include una breve introduzione alle equazioni di governo e ai principi alla base del metodo a pannelli e all’approccio ai volumi finiti. In seguito sono presentati i casi test 2D e 3D; • Capitolo due: Include una spiegazione dettagliata dello schema a pannelli a in- tensità di doppietta e sorgente costante, alla base del software in uso (APM); • Capitolo tre: Include una spiegazione teorica della viscosità numerica, rispetto sia alla tecnica alle differenze finite, che a quella ai volumi finiti; di seguito, le equazioni di Eulero insieme a griglie ottimizzate sono applicate ai casi test del cilindro a sezione quadrata e all’Ahmed body; • Capitolo quattro: Riguarda Ansys Discovery, software basato su GPU; viene spiegata la teoria di meshing e i tipi di solver impiegati, successivamente viene testato sul NACA0012, il cilindro a sezione quadrata, la sfera e l’Ahmed body. • Capitolo cinque: Include i risultati di ogni metodo per ogni caso per cui è testato, in termini di coefficienti aerodinamici e tempo di simulazione; • Capitolo sei: Presenta un sunto di tutto il lavoro svolto e infine mostra possibili sviluppi futuri.