Aerodynamics of road bicycle wheels: numerical investigation of rotational modelling techniques and flow field characteristics

Aerodynamic performance is a key factor in road cycling races, where even marginal gains can impact race outcomes. Spoked wheels are responsible for the 10% of the total bicycle-cyclist drag, consequently their design and optimization is essential for performance enhancement. Wind tunnel testing are the primary method for assessing wheel aerodynamics. However, advancements in Computational Fluid Dynamics (CFD) now provide a cost-effective tool to enhance the wheel design process. Despite numerous CFD studies on stand-alone wheels, a standardized approach for wheel aerodynamic analysis has yet to be established. This study investigates various approaches for modelling the rotation of road bicycle wheels. The primary objective is to evaluate the accuracy and computational efficiency of widely used rotational modelling methods, including Sliding Mesh, Moving Reference Frame, and Rotating Wall Boundary condition. Simulations have been conducted using OpenFOAM, adopting both URANS and RANS based setups, on two wheel geometries, under both headwind and crosswind conditions, with and without considering the presence of the spokes. The comparison between the tested models has been carried out analysing the force and moment contributions of each wheel component, along with a detailed examination of the force distributions acting on the rim and a visualization of the flow features governing the physical phenomena. Further analysis has been conducted to assess whether the tested models are reliable in detecting force and moment differences between the two geometries. The obtained results suggest that the assumptions introduced by steady-state approach are not applicable in the considered case. The unsteady models show great agreement for the headwind condition, while in the crosswind condition only the Sliding Mesh model is able to reproduce accurately the flow features induced by the spokes rotation.

L'aerodinamica è un fattore chiave nelle gare di ciclismo su strada, dove anche guadagni marginali possono influenzare l'esito delle competizioni. Le ruote sono responsabili del 10% della resistenza aerodinamica che il ciclista deve vincere, di conseguenza la loro ottimizzazione risulta essenziale nel miglioramento delle prestazioni. I test in galleria del vento sono il metodo più comune per studiare l'aerodinamica delle ruote. Tuttavia, i progressi nella fluidodinamica computazionale (CFD) forniscono ora uno strumento più economico per migliorare il processo di progettazione delle ruote. Nonostante numerosi studi CFD sulle ruote isolate, in letteratura non è ancora presente un approccio standardizzato per l'analisi aerodinamica delle ruote. Questo studio compara diversi approcci per la modellazione della rotazione delle ruote da bicicletta da strada. L'obiettivo principale è valutare l'accuratezza e l'efficienza computazionale dei metodi di modellazione della rotazione più comuni, tra cui Sliding Mesh, Moving Reference Frame e Rotating Wall Boundary Condition. Le simulazioni sono state condotte utilizzando il software OpenFOAM, adottando setup URANS e RANS, su due geometrie di ruote, in condizioni di vento frontale e laterale, con e senza la considerazione della presenza dei raggi. Il confronto tra i modelli testati è stato effettuato valutando i contributi di forza e momento di ciascun componente della ruota, insieme ad un esame della distribuzione delle forze agenti sul cerchio e a una visualizzazione delle caratteristiche del flusso. È stata, inoltre, condotta un'analisi differenziale tra le due geometrie testate per valutare l'affidabilità degli approcci. I risultati ottenuti suggeriscono che le ipotesi introdotte dall'approccio stazionario non sono applicabili nel caso considerato. I modelli instazionari mostrano una buona corrispondenza nelle condizioni di vento frontale, mentre nelle condizioni di vento laterale solo l'approccio Sliding Mesh è in grado di riprodurre accuratamente le caratteristiche del flusso indotte dalla rotazione dei raggi.