Aërodynamische simulatie van roterende wielen in een zonnewagen

Thomas Holemans Kristof Borgions
Persbericht

Hoe een computersimulatie België de eerste plaats kan opleveren

 

Introductie

image-20191006174706-1

Het Solar team strijdt elke twee jaar voor de eerste plaats in de Bridgestone World Solar Challenge tegen studenten vanuit de hele wereld. Voor deze race ontwikkelen zij een voertuig met een ultra lage aerodynamische weerstand aangedreven door zonne-energie. De focus voor het verbeteren van de wagen ligt elk jaar op het verlagen van deze aerodynamische weerstand. Hiervoor worden eerst CFD-simulaties (virtuele windtunneltesten) uitgevoerd welke daarna geverifieerd worden in een echte windtunnel. Doordat CFD-simulaties zeer rekenintensief zijn voor de computer, werden in het verleden de wielen van de zonnewagen niet mee gemodelleerd. In de windtunnel is de wagen wel uitgerust met wielen maar draaien deze niet rond omdat de constructie van de windtunnel dit niet toelaat. Zowel in de huidige CFD-simulaties als in de windtunnel is er dus geen situatie gemodelleerd zoals deze tijdens de echte race zich voordoet. Hierdoor is er dus een afwijking tussen de theoretische aerodynamische weerstand en de werkelijke. Omdat de wielen, en in het bijzonder het roteren van de wielen, een significante invloed hebben op de aerodynamica van het voertuig, wordt dit in deze thesis bestudeerd om zo een nauwkeuriger beeld te hebben van de aerodynamische weerstand.

Dit onderzoek draagt bij tot snellere en correctere simulaties voor het Solar team

Set-up

Tijdens deze thesis zullen enkele CFD-simulaties uitgevoerd worden. Eerst en vooral worden de wielen in dit onderzoek wel in rekening gebracht. Ten tweede wordt de aerodynamische weerstand vergeleken tussen een wagen met stilstaande en een wagen met roterende wielen. Zo kan er beter ingeschat worden wat de werkelijke weerstand is tijdens de race (roterende wielen) als er resultaten zijn uit de windtunnel (stilstaande wielen).

De opbouw van de wielen is te zien op onderstaande figuren. De wielen bevatten een band en een velg en zijn dan omringd door een wielkap om zo weinig mogelijk luchtstroom rond het wiel te creëren. Deze wielen worden dan in de wagen geplaatst zoals te zien is hieronder.

image-20191006174706-2

image-20191006174706-3

Door de zeer intensieve rekenkracht die nodig is bij CFD-simulaties wordt er slechts een halve wagen gesimuleerd. Deze waarden worden daarna geëxtrapoleerd tot een volledige wagen.

Voor de CFD-simulaties is het nodig een mesh te maken van de geometrie. Een mesh betekent dat de echte wereld, die continu is, wordt omgezet naar eindige structuur (digitaal). De geometrie wordt benaderd door knopen. Hoe meer knopen er gebruikt worden, hoe beter de echte wereld benaderd wordt, maar des te intensiever worden de berekeningen. Dit compromis is een complex, iteratief proces om er voor te zorgen dat er goede resultaten worden behaald met een zo ruw mogelijke

mesh, welke het minste rekentijd in beslag neemt. Finaal ziet de mesh eruit zoals op onderstaande. Complexere delen van de wagen hebben een fijnere meshstructuur nodig zoals te zien aan de voorste boog van de wagen. Ook in de wielen is een zeer fijne mesh nodig omdat het zeer kleine details zijn, alsook dat de fenomenen rondom de wielen de focus zijn van het onderzoek. De simulaties worden uitgevoerd op een server met een rekenkracht gelijk aan 15 moderne computers.image-20191006174706-4

 

Resultaten

De simulaties hebben steeds een bepaalde tijd nodig om te stabiliseren. Voor de simulatie met stilstaande wielen duurde dit 440 uur. De simulatie met roterende wielen had slechts 44 uur nodig. Dit is een tienvoud verschil, wat belangrijk is voor het Solar Team vermits snellere simulaties leiden tot meer simulaties en dus ook meer verbeteringen aan het design.

De simulatie met roterende wielen had slechts 44 uur nodig. Dit is een tienvoud verschil

Het verschil in tijd tussen de simulaties is volledig toe te wijden aan het verschil in vortex shedding tussen de twee situaties. Vortex shedding is een fenomeen waarbij vortexen aan beide zijden van een lichaam in resonantie treden. Hierdoor ontstaat er een groot lagedrukgebied achter het lichaam. De rotatie van de wielen onderdrukt deze vortex shedding, dit is te zien hieronder.

image-20191006174706-5image-20191006174706-6

Uit de resultaten blijkt dat de skin friction weerstand weinig invloed ondervindt van al dan niet roterende wielen. De pressure drag ondervindt veel invloed van de roterende wielen, deze daalt met 40%, wat een totale weerstandsreductie van 10% teweeg brengt. Dit is opnieuw te wijten aan het onderdrukken van de vortex shedding.

Conclusie

Dit onderzoek draagt bij tot snellere en correctere simulaties voor het Solar team, hierdoor kunnen zij meer simulaties uitvoeren en dus ook meer verbeteringen doorvoeren. Zij beschikken nu over een model waarmee ze de reële aerodynamische weerstand beter kunnen schatten uit de resultaten afkomstig van de windtunnel. Met de set-up opgebouwd in deze thesis om de wielen te simuleren, kan nu verder onderzoek gedaan worden naar het verbeteren van de weerstand afkomstig van de wielen.

Bibliografie

[1] E. Vandervelpen and J. Uten, “Testing of turbulence models for the aerodynamic simulations
of a solar car,” 2018.
[2] C. Fu, M. Uddin, and A. C. Robinson, “Turbulence modeling effects on the cfd predictions of
flow over a nascar gen 6 racecar,” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,
vol. 176, pp. 98 – 111, 2018.
[3] W. S. Challenge, “2019 regulations, 13-20 oct 2019.” https://www.
worldsolarchallenge.org/files/2272_2019_bwsc_regulations_release_
version_3.pdf, October 2018.
[4] NUMECA, “Numeca: A new wave in fluid dynamics,” 2019.
[5] M. A. T. P. P. J. Fox, Robert W, Introduction to fluid mechanics (6th ed.). Hoboken: Wiley,
2004.
[6] M. Vanierschot, “Computer aided vehicle design: Aerodynamics.” Powerpoint, 2018.
[7] D. P. Holmes, “Mechanics of materials: Stress transformation mechanics of slender structures
— boston university,” Mar 2015.
[8] N. Halle, “Boundary layer.” https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/
boundlay.html, May 2015.
[9] W. Frei, “Which turbulence model should i choose for
my cfd application?.” https://www.comsol.com/blogs/
which-turbulence-model-should-choose-cfd-application/, July 2017.
[10] T. L. CFD, “Turbulence part 3 - selection of wall functions and y+ to best capture
the turbulent boundary layer.” https://www.computationalfluiddynamics.com.au/
turbulence-part-3-selection-of-wall-, april 2013.
[11] aerospaceengineeringblog, “Boundary layer separation and
pressure drag.” https://aerospaceengineeringblog.com/
boundary-layer-separation-and-pressure-drag, October 2016.
[12] R. D. Henderson, “Details of the drag curve near the onset of vortex shedding,” Physics of
Fluids, vol. 7, no. 9, pp. 2102–2104, 1995.
72

[13] B. Guido, Vortex shedding from bluff bodies, pp. 61 – 95. Balkema, Rotterdam, 01 1998.
[14] A. Villegas and F. Diez, “Effect of vortex shedding in unsteady aerodynamic forces for a low
reynolds number stationary wing at low angle of attack,” Journal of Fluids and Structures,
vol. 64, pp. 138 – 148, 2016.
[15] S. C. Yen and C. W. Yang, “Flow patterns and vortex shedding behavior behind a square
cylinder,” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 99, no. 8, pp. 868
– 878, 2011.
[16] A. Kolmogorov, “The local structure of turbulence in incompressible viscous fluid for very
large reynolds’ numbers,” Akademiia Nauk SSSR Doklady, vol. 30, pp. 301–305, 1941.
[17] B. Cushman-Roisin, Environmental Fluid Mechanics. Dartmouth, 2018.
[18] M. T. L. E. Mollo-Christensen, Turbulence and Random Processes in Fluid Mechanics (2nd
ed.). Cambridge University Press, 1992.
[19] V. Fichet, “Mod´ elisation de la combustion du gaz naturel par r ´eseaux de r ´eacteurs avec
cin ´etique chimique d´ etaill ´ee,” Master’s thesis, Ecole Centrale Paris, Paris, 2008.
[20] N. Foroozani, Numerical Study of Turbulent Rayleigh-Benard Convection with Cubic Confinement.
PhD thesis, Universita degli studi di Trieste, 04 2015.
[21] A. Bakker, “Lecture 10 - turbulence models,” applied computational fluid dynamics, Dartmouth
College, 2002-2006.
[22] J. O. Hinze, Turbulence. New York : MacGraw-Hill, 1975.
[23] S. IP, “4.14.3. scalable wall functions.” https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/
16.2.3/en-us/help/flu_th/flu_th_scale_wf.html, June 2015.
[24] T. Lajos, “Basics of vehicle aerodynamics,” tech. rep., University of Rome La Sapienza,
2002.
[25] J. Edgar, “Analysing road car drag.” http://www.autospeed.com/cms/article.html?
&title=Analysing-Road-Car-Drag&A=113227, 2009.
[26] BoH, “Drag (physics).” https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=
6742156, October 2009.
[27] SKYbrary, “Friction drag.” https://www.skybrary.aero/index.php/Friction_Drag,
July 2017.
[28] R. J. Adrian, “Drag of blunt bodies and streamlined bodies,” tech. rep., Princeton University,
2019.

[29] J. L. Monteith and M. H. Unsworth, “Chapter 9 - momentum transfer,” in Principles of Environmental
Physics (Fourth Edition) (J. L. Monteith and M. H. Unsworth, eds.), pp. 135 – 150,
Boston: Academic Press, fourth edition ed., 2013.
[30] A. Dorsey, “Skin friction,” tech. rep., Virginia University, 1997.
[31] P. Friend, “aerodynamic resistance and the use of aerodynamic coefficients.” http://www.
pilotfriend.com/training/flight_training/aero/aero_res.htm#r, 2019.
[32] T. Hobeika, S. Sebben, and C. Landstrom, “Investigation of the influence of tyre geometry
on the aerodynamics of passenger cars,” SAE Int. J. Passeng. Cars - Mech. Syst., vol. 6,
pp. 316–325, 04 2013.
[33] ANSYS, “3.2 sliding mesh theory.” http://www.afs.enea.it/project/neptunius/
docs/fluent/html/th/node37.htm#sec-slide-intro, January 2009.
[34] S. Diasinos, T. J. Barber, and G. Doig, “The effects of simplifications on isolated wheel
aerodynamics,” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 146, pp. 90
– 101, 2015.
[35] P. Lesniewicz, M. Kulak, and M. Karczewski, “Aerodynamic analysis of an isolated vehicle
wheel,” Journal of Physics: Conference Series, vol. 530, p. 012064, 08 2014.
[36] K. M and B. J, “Performance of three turbulence models in 3d flow investigation for a 1.5-
stage turbine,” TASK Quarterly, pp. 185–195, 2008.
[37] S. K and B. J, “Numerical analysis of the flow around a cylinder,” CMP, pp. 53–66, 2010.
[38] K. K and K.W, “Verification of the numerical model of the viscous gas flow within a centrifugal
compressor stage,” Nauchno-Technicheskie Vedomosti SPbGPU, pp. 329–334, 2011.
[39] V. Veeraraghavan, “Aerodynamics of a rotating wheel in a wheelhouse: A numerical investigation
using les,” 10 2017.
[40] J. Fabijanic, “An experimental investigation of wheel-well flows,” in SAE Technical Paper,
SAE International, 02 1996.
[41] A. W¨aschle, “The influence of rotating wheels on vehicle aerodynamics - numerical and
experimental investigations,” in SAE Technical Paper, SAE International, 04 2007.
[42] “Tread pattern anatomy.” http://www.tireprofiles.com/tread-pattern-anatomy/,
January 2019.
[43] N. Hawinkel, “Aerodynamic analysis of punch one powertrain solar car,” 2016.
[44] T. Craft, “Near-wall modelling,” tech. rep., The University of Manchester, 2018.
[45] “Understanding the contact patch.” https://www.discounttire.com/learn/
contact-patch, May 2019.

[46] Unknown. http://paws.kettering.edu/˜amazzei/tire_calculator.html, 2008-
2009.
[47] J. Reimpell, H. Stoll, and J. W. Betzler, “Tyres and wheels,” in The Automotive Chassis
(Second Edition), pp. 86 – 148, Oxford: Butterworth-Heinemann, second ed., 2001.
[48] I. SAS IP, “Skewness.” https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/17.0/en-us/
help/wb_msh/msh_skewness.html, December 2015.
[49] S. IP, “15.3.2. measures of mesh quality.” https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/
16.2.3/en-us/help/cfx_mod/i1323480.html, June 2015.
[50] NUMECA, “Show mesh quality.” https://portal.numeca.be/docs/OMNIS/Default.
htm#_url/MESH/show-mesh-quality.htm%3FTocPath%3DOMNIS%25E2%2584%25A2%
2520tools%7CMesh%2520Generation%7C_____4, March 2019.
[51] A. Stoukov, “Strouhal number,” 2001-2002.
[52] NUMECA, “k-w (m-sst) turbulence model,” 2019.
[53] P. Roache, “Perspective: A method for uniform reporting of grid refinement studies,” Journal
of Fluids Engineering-transactions of The Asme - J FLUID ENG, vol. 116, pp. 405–413, 09
1994.
[54] J. W. Slater, “Examining spatial (grid) convergence.” https://www.grc.nasa.gov/www/
wind/valid/tutorial/spatconv.html, July 2008.
[55] C. J. Roy, “Grid Convergence Error Analysis for Mixed-Order Numerical Schemes,” AIAA
Journal, vol. 41, pp. 595–604, april 2003.
[56] M. Pogosov, “Cfd simulations of flow around the tandem cylinders close to the seabed,”
Master’s thesis, University of Stavanger, Stavanger, 2016.

Universiteit of Hogeschool
Master in de industriële wetenschappen: Elektromechanica ; optie: intelligent mobility
Publicatiejaar
2019
Promotor(en)
Prof. Dr. Ir. Maarten Vanierschot
Kernwoorden
Share this on: