Bicycle aerodynamics: analysis through different numerical models and wind tunnel tests

Aerodynamic drag is the main obstacle for a cyclist on flat terrain. About 20-40% of this resistance comes from the bicycle, so its aerodynamic optimization is crucial for improving elite cyclists performance. To advance its development, the Colnago bicycle manufacturer conducted a wind tunnel campaign, testing different bike frames. Even if wind tunnel tests are powerful for the performance evaluation, their high cost and limited availability make them impractical during the design phase. A more efficient alternative are virtual analysis, where fluid dynamics are solved numerically. This thesis evaluates different numerical models, comparing their performance and identifying discrepancies between Computational Fluid Dynamic simulation and experimental tests. The analysis begins with the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) method, using the k − ωSST turbulence model. Then, an unsteady RANS (URANS) approach is applied to study the effects of flow unsteadiness. Finally, Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) and Improved DDES (IDDES) hybrid RANS/LES methods are used to explore differences when turbulent flow is partially resolved. The results are compared to wind tunnel forces and static pressure measurements taken from the frame surface. The study confirms that RANS is the most practical model for bicycle design, offering a balance between cost and accuracy. For unsteady phenomena, IDDES is preferred over URANS, providing better results with similar costs. Additionally, it highlights the importance of replicating experimental setup conditions, especially at high yaw angles, when comparing numerical and wind tunnel results.

La resistenza aerodinamica rappresenta il principale ostacolo per un ciclista che pedala su terreno pianeggiante. Una parte significativa di tale impatto è dovuto alla bicicletta stessa. Ottimizzarne l’aerodinamica è quindi fondamentale per migliorare le prestazioni dei ciclisti professionisti. In collaborazione con Colnago, azienda leader nella produzione di biciclette, è stata condotta una campagna sperimentale in galleria del vento per testare diversi modelli di telaio. Sebbene tale infrastruttura sia uno strumento prezioso per la valutazione delle prestazioni aerodinamiche, il suo utilizzo è poco pratico in fase di progettazione. Un’alternativa efficace è l’impiego di analisi virtuali, attraverso simulazioni numeriche che risolvono il moto dell’aria in modo computazionale. Questa tesi valuta diversi modelli numerici, analizzandone le prestazioni e confrontandoli con i risultati ottenuti dalle prove sperimentali. L’analisi inizia con l’approccio RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes), utilizzando il modello di turbolenza k − ωSST. Successivamente, viene esaminato l’approccio instazionario URANS (Unsteady RANS) per valutare gli effetti dovuti alla variabilità temporale del flusso. Infine, sono applicati i metodi Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) e Improved DDES (IDDES), che combinano i modelli RANS e Large Eddy Simulation (LES), per esplorare le differenze introdotte dalla risoluzione parziale del flusso turbolento rispetto alla sua modellazione completa. I risultati ottenuti sono quindi confrontati con le misure di forza e pressione statica eseguite in galleria del vento. Questo studio conferma che il metodo RANS è il più adatto alla progettazione aerodinamica del telaio di biciclette in quanto offre un buon compromesso tra costo ed accuratezza del risultato. Nel caso in cui l’interesse ricada nell’investigazione di fenomeni instazionari, il metodo IDDES è preferibile all’approccio URANS in quanto garantisce risultati più accurati mantendendo un costo computazionale paragonabile. Inoltre, viene sottolineata la necessità di replicare fedelmente le condizioni presenti in galleria del vento nell’effettuare comparazioni con risultati numerici.