Passenger vehicle tyre aerodynamics
Doctoral thesis, 2024

Road vehicles are an essential part of society, enabling the movement of people and goods. They are, however, responsible for a large part of greenhouse gas emissions. Therefore, automotive companies strive to constantly increase the energy efficiency of their fleets. For cars, aerodynamic drag is one of the main resistive forces and a substantial part of the total energy consumption. A significant contribution to the total drag originates from the wheels, making the understanding of their flows essential for creating efficient vehicles. Factors such as the wheels' rotation, bluff-body shape and small geometrical details result in complex flow fields that are sensitive to, for example, wind tunnel setup, vehicle velocity and small geometrical changes. Due to this sensitivity, the experimental and numerical methods used to assess wheel aerodynamics should be carefully evaluated.

Full-scale wind tunnel tests are compared to simulations with an open road domain and with a domain containing a detailed model of the wind tunnel. Including the wind tunnel improves the prediction of both absolute drag values and the drag delta between configurations. The importance of considering the parasitic lift acting on the wheel drive units (WDUs) of the wind tunnel is also evaluated. Although the parasitic lift reduces for smaller belts, it is shown that leakage flows from the gaps around the WDUs can interfere with the flow around the wheels if the belts are too narrow. Finally, the velocity dependency of the drag coefficient, C_D, is studied. With rotating wheels, C_D reduces for increased speeds, whereas it is constant with stationary wheels. It is shown that the drag reduction likely occurs locally at the wheels and that the separations at the outer tyre shoulders of the front wheels are one of the main factors.

In the second part of the thesis, the effects of various geometrical tyre features and their impact on the total drag and flow field around the vehicle are considered. Using full-scale wind tunnel tests with the DrivAer model and a production vehicle, the influence of the tyre tread patterns is studied for two rim configurations. Adding rain grooves consistently reduces the drag whereas the trend is less clear for lateral grooves due to a stronger rim and vehicle dependency. A tyre profile with a narrower sidewall generally reduces drag. With a protruding rim protector, a large drag increase is found when combined with an open rim. Generally, the largest variations between the tyres are observed around the unshielded parts of the wheels, next to the ground.

CFD

wheels

tyres

wind tunnel

aerodynamics

drag

SB-H3 or Zoom (passcode 687916)
Opponent: Prof. Thomas Indinger, TU Munich

Author

Erik Josefsson

Chalmers, Mechanics and Maritime Sciences (M2), Vehicle Engineering and Autonomous Systems

Evaluation of wind tunnel interference on numerical prediction of wheel aerodynamics

Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,;Vol. 224(2022)

Journal article

Investigation of Tyre Pattern Effect on the Aerodynamics of a Passenger Vehicle

Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME,;Vol. 144(2022)

Journal article

Characterisation of the flow around passenger vehicle wheels with varying tyre profiles

International Journal of Heat and Fluid Flow,;Vol. 103(2023)

Journal article

Investigation of tyre rim protectors on the aerodynamics of a passenger vehicle

Experiments in Fluids,;Vol. 65(2024)

Journal article

Wheel Drive Unit Lift Corrections in Automotive Wind Tunnels

SAE Technical Papers,;(2024)

Paper in proceeding

Bilar är en central del av dagens samhälle och möjliggör självständig mobilitet. Samtidigt producerar bilarna stora mängder växthusgaser, vilket bidrar till klimatförändringar. För att minska utsläppen samt öka räckvidden för nya nollutsläppsbilar strävar fordonsindustrin efter att reducera bilarnas energiförbrukning. Det aerodynamiska luftmotståndet utgör en betydande del av den totala energiförbrukningen, särskilt vid lands- och motorvägskörning. Ett sätt att minska luftmotståndet är att förbättra flödet kring hjulen, eftersom deras rotation och form genererar stora flödesförluster.

För att bestämma en bils luftmotstånd används vindtunnlar och datorsimuleringar. Ofta används vindtunnelexperiment för att utveckla och validera simuleringarna. Det är då viktigt att förstå hur respektive metod påverkar resultaten för att kunna jämföra dem med varandra.

Denna avhandling undersöker hur däcken påverkar luftflödet runt personbilar. Genom att jämföra vindtunnelprov och simuleringar visas att vindtunnelgeometrin kan påverka flödet kring hjulen och att simuleringarnas precision kan förbättras genom att inkludera vindtunneln i dem. Vidare undersöks hur bältena som roterar hjulen i vindtunneln påverkar de aerodynamiska krafterna samt hur roterande hjul bidrar till att luftmotståndskoefficienten varierar med fordonets fart. Slutligen undersöks hur olika däckmönster och profiler påverkar flödet.

De resultat som presenteras i denna avhandling kan hjälpa ingenjörer att utveckla metoderna som används för att utvärdera fordons aerodynamiska prestanda samt bidra till att utforma riktlinjer för design av däck med lägre luftmotstånd.

Ökad noggrannhet på däckmodellering för att stödja utvecklingen av energieffektiva fordon

Swedish Energy Agency (2019-013226), 2019-11-05 -- 2023-12-31.

Areas of Advance

Transport

Subject Categories

Vehicle Engineering

Fluid Mechanics and Acoustics

ISBN

978-91-8103-068-6

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5526

Publisher

Chalmers

SB-H3 or Zoom (passcode 687916)

Online

Opponent: Prof. Thomas Indinger, TU Munich

More information

Latest update

10/18/2024