Confronto del setup definitivo di simulazione con i metodi convenzional
6.1 Prova completa della nuova metodologia
Questa prova ha concluso il lavoro di sviluppo del metodo di simulazione della ruota intrapreso in questa tesi: il dominio di calcolo è il medesimo delle prove condotte per lo sviluppo del modello delle sorgenti di forza, ovvero un dominio di dimensioni appropriate attorno alla ruota ed una tasca sottostante sufficientemente estesa per contenere la regione di overset mesh attorno alla ruota, provvista di inlet e outlet aggiuntivi come trattato nel capitolo dedicato alla modellazione del suolo. Il moto rotatorio è simulato tramite il modello di Overset Mesh (spiegato in dettaglio nel capitolo 3), con una regione di mesh mobile cilindrica attorno alla ruota in costante interfaccia con quella di background.
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Figura 78 Viste in proiezione ortogonale dell’estensione della tasca rispetto alla regione di overset. La tasca conserva l’inlet e l’outlet aggiuntivi sviluppati nella sezione dedicata. La regione di overset è costituita da un semplice cilindro costruito attorno alla
geometria della ruota.
La geometria è quella utilizzata durante tutto il lavoro di sviluppo, ovvero quella classica della ruota di Fackrell, che deve essere deformata dalle funzioni di morphing opportunamente parametrizzate per questo particolare problema. Come diffusamente spiegato nel capitolo dedicato al morphing, le funzioni sviluppate per la deformazione dello pneumatico sono interamente parametrizzabili ed adattabili alle più diverse geometrie. In seguito sono elencati i valori dei parametri legati a questa particolare geometria, che, come detto in precedenza, è una semplificazione della geometria realistica di uno pneumatico, nella capitolo successivo saranno discussi nel dettaglio gli aspetti inerenti la sua applicabilità a geometria più complesse. I parametri da inserire in questo caso sono quindi i seguenti:
Raggio della ruota
0,208 mm
Raggio del cerchione
0,1655 mm
Semi-larghezza del battistrada
0,0815 mm
Apertura dell’angolo di impronta a terra
π/9
Estensione angolare della deformazione laterale
π/9
Coordinata radiale di inizio della deformazione laterale
R_cerch + 0,2 ∙ alt_spalla
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Parametro dell’entità massima delle deformazioni laterali
500 (tale da avere max 2mm)
Parametro dell’entità massima dell’allargamento del contact patch
0,7 (tale da avere max 3mm)
Velocità di rotazione della ruota
89.43 rad/s
La mesh utilizzata è nuovamente a celle cubiche, del tipo Trimmed Cell Mesher, in particolare è stato previsto un raffinamento fino ad un minimo di 3 mm di dimensione all’interno della regione di overset ed attorno alla ruota, con strati di prism layers su tutte le superfici di ruota e cerchione. La mesh di scia è stata raffinata rispetto al resto del domino, per avere una sufficiente risoluzione nei vortici che vengono a crearsi a valle della ruota. Un’ulteriore raffinamento, in un volume cilindrico che racchiude quello di overset, è stato previsto anche nella mesh di background, per rendere omogenea la dimensione delle celle all’interfaccia tra overset e background. Per far fronte alla distorsione della mesh riscontrata durante il lavoro di sviluppo del morphing, si è previsto il remeshing della sola regione di overset durante la simulazione ogni 1000 time-step.
Figura 79 Sezione longitudinale della mesh durante la simulazione: visibile la regione di overset attorno alla ruota, gli strati del prism layer attorno alle superfici e la zona di infittimento locale esterno nella regione di background.
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Figura 80 Vista di dettaglio della medesima mesh della figura precedente.
Il fine di questa prova e di questo lavoro è lo sviluppo di una metodologia funzionale e funzionante per la simulazione di una ruota, ed il setup implementato per quanto concerne la mesh ed i modelli fisici utilizzati è teso allo scopo, quindi non si è proceduto al test di diversi modelli di turbolenza per verificarne le performance e la verosimiglianza dei campi di velocità e pressione rispetto ai dati sperimentali, poiché l’aspetto della validazione dei dati numerici estrapolati esula da questo lavoro particolare. La simulazione è di tipo non stazionario, utilizzando le equazioni di Navier-Stokes mediate alla Reynolds con modello di turbolenza SST (Menter) K-Omega. In base ai requisiti richiesti dal corretto funzionamento del modello di overset mesh, e basandosi sulle dimensioni di celle utilizzate all’interfaccia tra le regioni di overset e background e della velocità di rotazione della ruota, è stato impostato un valore del time-step conseguentemente pari a 1,4x10-4 s. Il tempo fisico di simulazione è di 1 secondo, durante il quale, alla
velocità angolare prevista, la ruota compie 14 rotazioni complete, ritenute sufficienti per l’instaurarsi di una conformazione definita dei campi di velocità e pressione attorno alla ruota. La simulazione è riuscita a giungere a termine senza incontrare alcun tipo di problema.
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Figura 81 Visualizzazione del campo di velocità lungo una sezione longitudinale del dominio.
I dati che sono stati estrapolati dalla simulazione, in merito ai coefficienti di resistenza e di portanza della ruota, sono stati successivamente paragonati ai risultati di una simulazione condotta successivamente sulla stessa ruota, ma utilizzando una versione della metodologia di modellazione della rotazione introdotta con le simulazioni preliminari in un setup diverso, che sarà trattato nella sezione seguente. I dati estrapolati sono anch’essi mostrati successivamente, in diretto confronto con quelli derivati dalle prove successive.
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Figura 82 Sezione trasversale operata nel piano di simmetria della ruota. Dalla visualizzazione del modulo della velocità, le formazioni vorticose laterali allo pneumatico sono confinate al di sopra della tasca come se fosse effettivamente presente il suolo.
Figura 83 Conformazione della scia su di un piano posto un diametro a valle della ruota. La forma della scia è simile ai risultati sperimentali, non influenzata dalla presenza della tasca sotto alla ruota.
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Figura 84 Visualizzazione del modulo della velocità del flusso nella tasca: i valori sono sufficientemente uniformi attorno a quello di 18,6 m/s della velocità di riferimento.