Confronto dei campi di velocità

Oltre al confronto dei dati numerici estrapolati è stato condotto anche un confronto dei campi aerodinamici ottenuti dalle tre simulazioni considerate: la ruota di per sé è un corpo tozzo, e per sua natura mostra una scia vorticosa complessa e non stazionaria che in diverse applicazioni si rende necessario poter simulare con la maggiore accuratezza possibile. Nella pagina seguente vengono mostrate in sequenza delle visualizzazioni lungo un piano di sezione longitudinale di simmetria dell’andamento del modulo della velocità del flusso, con particolare attenzione alla conformazione della scia.

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Figura 88 Visualizzazione dalla simulazione stazionaria con metodo convenzionale.

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Iniziando dalle due visualizzazioni ottenute dalla metodologia convenzionale, le due scie mostrano conformazione simile, con il modello non stazionario che non fornisce un risultato lontano dalla scia stazionaria. In nessuno dei due casi si osservano evidenti oscillazioni del flusso generate dal distacco di vortici dalla ruota, ed il profilo esterno della scia appare, al contrario, ben definito e regolare. Nella primissima sezione della scia, immediatamente a valle della ruota, si evidenziano in entrambe le simulazioni tre formazioni vorticose principali a bassa velocità: una superiore, successiva al punto di separazione anteriore, una centrale, e una terza originatasi dal bordo posteriore del contact patch, più vicino al suolo. Queste conformazioni appaiono in posizioni corrispondenti nelle due visualizzazioni, l’osservazione principale riguarda il fatto che nella soluzione stazionaria queste formazioni appaiono più grandi e marcate, assieme alla regione di separazione superiore ad alta velocità che risulta di dimensioni maggiori rispetto alla simulazione non stazionaria. In generale, anche dall’analisi dei campi di velocità, non risultano differenze importanti tra l’uso della metodologia convenzionale di simulazione in un contesto stazionario o non stazionario, tali da giustificare una netta preferenza per una o l’altra. Anche in questo caso, quindi, i modelli stazionari, meno dispendiosi in termini di risorse di calcolo, offrono dei buoni risultati per questo problema se comparati ai modelli non stazionari.

Il punto a sfavore dei risultati ottenuti tramite questa metodologia è quello che riguarda l’accuratezza della conformazione dei vortici di scia, apparendo questa di forma regolare e quasi stazionaria quando ci si aspetterebbe di osservare un comportamento molto più irregolare e non stazionario delle formazioni vorticose che si staccano dalla ruota.

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La visualizzazione ottenuta tramite la nuova metodologia sviluppata mostra uno scenario completamente diverso dalle due precedenti: la conformazione della scia appare molto meno regolare sia ai bordi che al suo interno, le tre principali formazioni vorticose nelle immediate vicinanze della ruota sono sempre osservabili ma si presentano con forma ed intensità non costanti, essendo formazioni oscillanti e fortemente non stazionarie. Il bordo superiore della scia non è regolare come nel caso precedente ma mostra delle evidenti oscillazioni che si originano dal punto di distacco superiore, e l’intera scia nel suo insieme appare meno omogenea e sono visibili, più a valle della ruota, le formazioni vorticose che si sono distaccate precedentemente al termine della simulazione.

In definitiva il campo di velocità ottenibile tramite il nuovo modello di simulazione sviluppato appare molto più vicino alla realtà fisica di una ruota a contatto col suolo, rispetto ai risultati dei modelli di simulazione convenzionali, mostrando più dettagliatamente le caratteristiche e la distribuzione della vorticità nella scia.

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Capitolo 7

Conclusioni

Il lavoro di tesi si è posto l’obiettivo di sviluppare una metodologia di simulazione CFD alternativa e maggiormente accurata del problema della ruota posta in rotazione a contatto col suolo, nell’ambito del software Star-CCM+. Il primo passo è stato quello di selezionare una pubblicazione di riferimento dalla bibliografia disponibile, in cui fosse affrontato il problema secondo la metodologia di simulazione convenzionale di uso più comune. Dopo aver cercato di riprodurne i risultati, comparandoli con dati sperimentali storici, si è concluso che i dati numerici estrapolati tramite questa metodologia particolare sono fortemente sensibili alle variazioni delle dimensioni della mesh attorno alla ruota e nella sua scia.

Da un’analisi dei modelli di rotazione e morphing disponibili all’interno di Star-CCM+ si è iniziato a definire le caratteristiche richieste ad una nuova metodologia di simulazione, che potesse offrire a priori delle potenzialità maggiori dell’approccio convenzionale. Per la simulazione della rotazione della ruota la scelta è ricaduta sul modello di Overset Mesh, che permette di porre fisicamente in rotazione i vertici delle celle attorno alla ruota stessa. La sezione più importante del lavoro è stata quella di selezione e sviluppo di un modello di morphing che fosse in grado di porre in deformazione lo pneumatico secondo un criterio più realistico possibile, in accordo con la rotazione della ruota di time-step in time-step all’interno di una simulazione non stazionaria. Dei diversi modelli di morphing offerti da Star-CCM+ è stato selezionato il Coordinate Offset Morpher Displacement, e tramite questo è stato sviluppato un setup di morphing funzionante ed interamente parametrico, il più possibile adattabile alle diverse geometrie di pneumatici in prova. La simulazione del contatto al suolo, per riuscire a lavorare in maniera armonica con i modelli di rotazione e deformazione, è stata ottenuta indirettamente, ovvero prevedendo una tasca al di sotto della ruota in cui agiscano delle sorgenti di forza che inducano il flusso locale a comportarsi come se il suolo fosse effettivamente presente.

La composizione dei modelli di rotazione, deformazione, e simulazione del suolo sviluppati con successo sono andati quindi a costituire una nuova metodologia di simulazione, diversa e più complessa dell’approccio convenzionale. Una comparazione finale è stata quindi condotta tra queste due metodologie, utilizzando in prova una geometria di ruota nota in letteratura, della quale sono facilmente reperibili dati sperimentali validi. La metodologia convenzionale è stata testata sia in condizioni stazionarie che non stazionarie, non rilevando differenze di rilievo nei dati numerici estrapolati e nei campi di velocità attorno alla ruota e nella scia, motivi per i quali si è concluso che la metodologia attualmente di uso comune può essere adottata, con minori risorse di calcolo, anche in condizioni stazionarie ottenendo comunque buoni risultati. I modelli sviluppati in questo lavoro di tesi hanno fornito dati numerici più distanti da quelli sperimentali, ma molto più realistici sono invece risultate le visualizzazioni in merito ai campi di velocità e vorticità a valle della ruota, simulati con maggiore accuratezza rispetto alle metodologie convenzionali.

Da questo confronto non si può stabilire che le performances di una metodologia siano in assoluto superiori rispetto all’altra: per quanto riguarda l’accuratezza dei dati numerici ottenuti, i risultati migliori sono stati raggiunti con l’utilizzo della metodologia convenzionale, che si è invece rivelata peggiore per quanto riguarda la modellazione della scia di una ruota reale rispetto ai modelli sviluppati in questo lavoro. Si può affermare che l’utilizzo di una metodologia piuttosto che l’altra sia da consigliare rispetto a quale sia lo scopo principale dello studio da condurre: se si è interessati ad ottenere una buona stima dei dati di resistenza di uno specifico

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pneumatico a contatto col terreno, è consigliabile l’uso della metodologia standard, che fornisce buoni risultati anche in forma stazionaria, mentre se l’interesse è incentrato maggiormente sul simulare fedelmente la scia non stazionaria di una ruota isolata, la metodologia esposta in questa tesi fornisce dei risultati sicuramente superiori.

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