Numerical investigation of alternative CFD approaches for the rotation of spoked bike wheels

Accurately representing wheel rotation is one of the most challenging tasks in Computational Fluid Dynamics (CFD) due to the complex flow structures that develop around the spinning geometry. High accuracy is typically obtained using the Sliding Mesh (SM) approach, but at high computational cost. Other commonly utilized methods, like the Rotating Wall Boundary condition and the Moving Reference Frame, have significant drawbacks due to simplifications of the physical problem, failing to accurately capture the flow field. This work investigates two alternative approaches, the rotorDisk and the Actuator Line, originally developed for propeller and wind turbine simulations. These methods replace the spoke geometry with cell-based momentum sources, eliminating the need to mesh and physically rotate the spokes. Both methods are implemented in OpenFOAM and compared against the reference Sliding Mesh approach in both headwind and crosswind conditions (20˚), evaluating their effectiveness at reproducing forces and flow field at a reduced computational cost. The cell-based methods deliver substantial computational cost savings (72% for the rotorDisk and 36% for the Actuator Line). Spoke force prediction shows moderate accuracy in headwind conditions, with axial force deviations of 7.87% for the Actuator Line and -14.3% for the rotorDisk, with stronger performance in crosswind conditions, with deviations of 0.13% and 4.65% respectively. Despite this strong spoke force prediction, both models fail to replicate the spoke-induced effects, especially in crosswind conditions, affecting the flow field around the rim and tyre, resulting in 30-40% deviations in axial force in this condition.

Rappresentare correttamente la rotazione di una ruota è una delle sfide più complesse nella fluidodinamica computazionale (CFD) a causa delle complesse strutture che si sviluppano attorno alla geometria in rotazione. Grazie all'approccio Sliding Mesh si può ottenere una elevata accuratezza, ma con un costo computazionale elevato. Altri metodi comunemente impiegati, come la Rotating Wall Boundary condition e il Moving Reference Frame, presentano limitazioni significative a causa delle semplificazioni del problema fisico, risultando spesso incapaci di modellare correttamente il comportamento del flusso. Questo lavoro indaga due approcci alternativi, il rotorDisk e l'Actuator Line, originariamente sviluppati per modellare eliche e turbine eoliche. Questi metodi sostituiscono la geometria dei raggi con sorgenti di quantità di moto nelle celle del dominio, eliminando la necessità di ruotare fisicamente la geometria. Entrambi i metodi sono implementati in OpenFOAM e confrontati con l'approccio di riferimento Sliding Mesh, sia in condizioni di vento frontale che di vento laterale (20˚), valutando l'efficacia nel riprodurre le forze e il campo di flusso per un costo computazionale ridotto. Entrambi i metodi forniscono un sostanziale risparmio di costo computazionale (72% per il rotorDisk e 36% per l'Actuator Line). Entrambi i modelli mostrano un'accuratezza moderata nel predire le forze in condizione di vento frontale, con deviazioni della forza assiale del 7.87% per l'Actuator Line e del -14.3% per il rotorDisk, con prestazioni significativamente migliori in condizioni di vento laterale, con deviazioni rispettivamente dello 0.13% e del -4.65%. Nonostante questa capacità di predire le forze sui raggi, entrambi i modelli mostrano limiti nel riprodurre gli effetti indotti dai raggi sul campo di moto attorno al cerchio e allo pneumatico, soprattutto in condizioni di vento laterale, risultando in deviazioni del 30-40% della forza assiale in questa condizione.