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Theses Year : 2023

Wheel-Vehicle Aerodynamic Interactions : Consequences for Drag

Interactions aérodynamiques roue-véhicule : conséquences sur la traînée

Di Bao
  • Function : Author
  • PersonId : 1283830
  • IdRef : 240591526

Abstract

For a road vehicle, the wheels and their interactions with the main vehicle body account for more than 25 % of the total aerodynamic drag. These interactions pose challenges to the aerodynamic development process as drag reduction is concerned. In this experimental study, we aim to identify the salient features of these interactions and their impact on drag using a simplified vehicle geometry. We find that the vehicle wake, the front wheels and the rear wheels are the main players in the interactions. There are two mechanisms that originate from these interactions and contribute to a pressure drag increase of up to 21 %. Between the four wheels and the vehicle wake, interactions exist which induce a global variation of the vertical balance of the vehicle wake. According to the state of the initial wake, this global variation can result in significant pressure drag increase or decrease. Furthermore, strong local near-wake interactions between the rear wheels and the vehicle wake lead to a mean mass transfer from the vehicle wake to the wakes of the rear wheels, resulting in a pressure drag increase. In the present situation, this occurs when the relative distance between the vehicle base and the rear wheels is less than 2.5 times the wheel width. In addition, the front wheels have influence on the interactions between the rear wheels and the vehicle wake, as the facing flow condition they provide for the rear wheels governs the strength of the mean mass transfer and thus the pressure drag change. Based on these findings, we propose a physical model that links the mean mass transfer to the pressure drag increase. This model is consistent with all the parametric measurements, including a situation where a pair of 2-D D-shaped obstacles of varying width and relative distance from the base is used to model the wheels. These local and global interactions are closely coupled to each other. This helps to explain why the ranking by aerodynamic drag of different tires varies with vehicle geometry. As such, the interactions are important to be considered in the aerodynamic development process of road vehicles.
Pour un véhicule routier, les roues et leurs interactions avec le véhicule représentent plus de 25 % de la traînée aérodynamique totale. Ces interactions doivent être mieux comprises afin d’aider à la réduction de la traînée dans le processus de développement aérodynamique. Dans cette étude expérimentale, nous cherchons à identifier les principales caractéristiques de ces interactions et leur impact sur la traînée à l'aide d'une géométrie de véhicule simplifiée. Nous constatons que le sillage du véhicule, les roues avant et les roues arrière sont les principaux acteurs des interactions. Deux mécanismes proviennent de ces interactions et contribuent à une augmentation de la traînée de pression pouvant atteindre 21 %. Entre les quatre roues et le sillage du véhicule, il existe des interactions qui induisent une variation globale de l'équilibre vertical du sillage du véhicule. Selon l'état du sillage initial, cette variation globale peut entraîner une augmentation ou une diminution significative de la traînée de pression. De plus, de fortes interactions locales entre sillages des roues arrière et du sillage du véhicule conduisent à un transfert moyen de masse du sillage du véhicule vers le sillage des roues arrière, entraînant une augmentation de la traînée de pression. Dans la situation étudiée, cela se produit lorsque la distance relative entre la base du véhicule et les roues arrière est inférieure à 2.5 fois la largeur des roues. De plus, les roues avant ont une influence sur les interactions entre les roues arrière et le sillage du véhicule, car elles modifient l'écoulement attaquant les roues arrière, qui régit l’intensité du transfert de masse moyen et donc le changement de traînée de pression. Sur la base de ces résultats, nous proposons un modèle physique qui relie le transfert de masse moyen à l'augmentation de la traînée de pression. Ce modèle est cohérent avec toutes les mesures paramétriques, y compris une situation où une paire d'obstacles bidimensionnels de largeur et de distance relative de la base variables est utilisée pour modéliser les roues. Ces interactions locales et globales sont étroitement liées les unes aux autres. Cela aide à expliquer pourquoi le classement par traînée aérodynamique des différents pneus varie avec la géométrie du véhicule. En tant que telles, les interactions sont importantes à prendre en compte dans le processus de développement aérodynamique des véhicules routiers.
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Origin Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-04206475 , version 1 (13-09-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04206475 , version 1

Cite

Di Bao. Wheel-Vehicle Aerodynamic Interactions : Consequences for Drag. Other. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2023. English. ⟨NNT : 2023ESMA0004⟩. ⟨tel-04206475⟩
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