Development and validation of a numerical model for motorsport cooling systems

This thesis presents the development and validation of a numerical framework for the thermal modeling of racing vehicle cooling systems, applied to the Tatuus T–421 competing in the Italian F4 Championship. Developed in collaboration with Tatuus Racing, the work provides a predictive and experimentally rooted tool to support the design and calibration of high-performance cooling systems. A lumped-parameter model was implemented in Matlab to reproduce the dynamic thermal behavior of the engine, radiators, water–oil heat exchanger, and pumps under transient driving conditions. Each subsystem is described by dedicated energy-balance equations and integrated into a modular workflow, enabling flexible adaptation to different configurations and boundary conditions. Model parametrization was based on experimental data from engine bench tests, which provided the steady-state heat-rejection map, the temperature-correction factor, and the engine-block equivalent thermal inertia. Validation using telemetry data from multiple race events showed close agreement between simulated and measured coolant temperatures, with mean relative errors below 2%, confirming the physical soundness of the model and the robustness of the calibration approach. A sensitivity analysis assessed the influence of ambient temperature, radiator effective area, pump flow rate, and aerodynamic feed on the predicted thermal behavior. The coolant flow rate and radiator blanking ratio were found to be the most influential parameters, demonstrating the model’s capability to support design trade-offs between aerodynamic efficiency and cooling performance. Overall, the proposed framework offers a validated and reusable workflow for the predictive analysis of racing cooling systems.

La presente tesi descrive lo sviluppo e la validazione di un modello numerico per la sim ulazione termica dei sistemi di raffreddamento di veicoli da competizione, applicato alla vettura Tatuus T–421 impiegata nel Campionato Italiano F4. Sviluppato in collaborazione con Tatuus Racing, il lavoro ha l’obiettivo di fornire uno strumento predittivo e sperimentalmente fondato a supporto della progettazione e calibrazione dei sistemi di raffreddamento ad alte prestazioni. È stato implementato in ambiente Matlab un modello a parametri concentrati in grado di riprodurre il comportamento termico dinamico del motore, dei radiatori, dello scambiatore acqua–olio e delle pompe in condizioni di guida transitorie. Ciascun sottosistema è descritto mediante equazioni di bilancio energetico dedicate e integrato in un’architettura modulare, che consente di adattare il modello a diverse configurazioni e condizioni operative. La parametrizzazione è stata effettuata a partire da prove sperimentali su banco motore, dalle quali sono state ricavate la mappa di heat–rejection in regime stazionario, il fattore correttivo in funzione della temperatura e l’inerzia termica equivalente del blocco motore. La validazione, condotta su dati telemetrici provenienti da diversi eventi di gara, ha mostrato un’elevata coerenza tra le temperature simulate e quelle misurate, con errori medi relativi inferiori al 2%, confermando la solidità del modello fisico e del processo di calibrazione. Un’analisi di sensitività ha valutato l’influenza della temperatura ambiente, dell’area radiativa effettiva, della portata della pompa e dell’alimentazione aerodinamica sul comportamento termico previsto. Tra questi, la portata del fluido di raffreddamento e il grado di blanking del radiatore sono risultati i parametri più influenti, evidenziando la capacità del modello di supportare le scelte progettuali nel compromesso tra efficienza aerodinamica e prestazioni di raffreddamento. Nel complesso, il framework sviluppato rappresenta uno strumento validato e riutilizzabile per l’analisi predittiva dei sistemi di raffreddamento da competizione, utile per ottimizzare configurazioni e strategie di progettazione.