Numerical analysis of cross-wind induced loads on a heavy vehicle and their influence on driver response by means of dynamic driving simulator

Safety is clearly one of the key points when dealing with ground vehicles transportation, especially in case of environmental adverse conditions. For sure, the presence of strong cross-wind can be extremely dangerous to manage by a non-experienced driver. This condition is critical for heavy vehicles (like trucks), because, due to their dimensions, they are subjected to bigger aerodynamic forces. The focus of this work is to study the main aerodynamic loads acting on a heavy vehicle when it is exiting a tunnel in the presence of strong lateral wind. Through dynamic CFD simulations, it is possible to evaluate the transient evolution of these forces in different specific operative conditions, with the final aim of finding a general method to reconstruct the aerodynamic loads profile for a generic combination of vehicle and wind speeds. These results are obtained starting from a full aerodynamic characterization of the considered vehicle (DAF LF commercial truck), using steady-state CFD simulations, and from a precise tuning of all the relevant parameters of dynamic simulations. Moreover, starting from the previous results, the effects on the vehicle dynamics are analysed thanks to the usage of the dynamic driving simulator DiM400 located in Politecnico di Milano, which gives the opportunity to study the case with a Driver-In-The-Loop approach. Several different experiments are performed to evaluate the response of the driver and the behaviour of the vehicle imposing the aerodynamic loads obtained from CFD simulations, making a comparison with the results available in the scientific literature about the topic and identifying the most dangerous aspects related to the studied maneuver.

La sicurezza alla guida è sicuramente uno dei fattori chiave legati al trasporto con l’utilizzo di veicoli terrestri, in particolare in condizioni avverse. Sicuramente la presenza di un forte vento laterale può essere particolarmente difficile da affrontare per un conducente con poca esperienza. Questa condizione è maggiormente critica per i mezzi pesanti (quali i camion) poichè, a causa delle loro importanti dimensioni, sono sottoposti a forze aerodinamiche maggiori. Il punto di interesse di questo lavoro è lo studio dei principali carichi aerodinamici agenti su un mezzo pesante quando questo affronta il transitorio di uscita da una galleria, in presenza di forte vento laterale. Attraverso l’utilizzo di simulazioni aerodinamiche CFD, è possibile valutare l’andamento delle forze aerodinamiche nel transitorio precedentemente descritto in diverse condizioni operative, con l’obiettivo finale di trovare un metodo generale per la ricostruzione di questi profili, partendo da condizioni di velocità del vento e del camion diverse da quelle specificatamente testate. Questi risultati vengono ottenuti dopo aver realizzato una completa caratterizzazione del veicolo considerato, tramite l’utilizzo di simulazioni CFD stazionarie, e dopo un attento setup dei principali parametri utilizzati nelle simulazioni dinamiche. Inoltre, partendo da questi risultati, gli effetti sulla dinamica del veicolo sono stati analizzati, grazie all’utilizzo del simulatore di guida dinamico DiM400 del Politecnico di Milano, che ha permesso di studiare il caso tramite un approccio Driver-In-The-Loop. Molti esperimenti sono stati condotti per valutare la risposta del pilota e il comportamento del veicolo, applicando i carichi aerodinamici calcolati con le simulazioni dinamiche CFD, realizzando anche un confronto con la letteratura scientifica disponibile sul tema e identificando gli aspetti di maggior pericolo legati alla manovra considerata.