Taurus part I - Aerodynamics

Obiettivo 6 Newton
Dopo due anni di esperienza con PulsaR a Battle Mountain, ci siamo resi conto che avevamo spremuto fino in fondo le possibilità di miglioramento tecnico per il nostro prototipo. Per puntare al Record Europeo e a quello Mondiale, era necessario dar via a un nuovo progetto. 

La  carena di Taurus è stata il primo componente ad essere progettato del nuovo prototipo. Questo perché si voleva mantenere il punto di forza di PulsaR: essere piccola per ospitare il nostro “piccolo potente motore”. Definire come prima cosa la carena e i suoi ingombri, ha consentito in seguito di adattare struttura interna, sistemi elettronici e di trasmissione agli spazi ristretti. Un approccio opposto, ovvero da “dentro” a “fuori”, avrebbe probabilmente portato ad avere una crenatura di dimensioni maggiori, con maggiori perdite aerodinamiche.

Tutte le fasi del progetto hanno visto l’utilizzo di Rhinoceros, particolarmente adatto alla gestione e alla generazione di superfici, abbinato all’analisi fluidodinamica effettuata con il software CFD Star-CCM+ di Siemens.

Le risorse di calcolo sono state messe a disposizione da hpc@polito, che è un progetto di Academic Computing del Dipartimento di Automatica e Informatica del Politecnico di Torino (http://www.hpc.polito.it)”.​

​Ma cosa è un software CFD?

CFD è l’acronimo di Computational Fluid Dynamics. L’analisi CFD prevede l’utilizzo di algoritmi e metodi numerici per la risoluzione di problemi di carattere fluidodinamico. Una volta validato il modello CFD (spesso con riscontri sperimentali), esso risulta molto più economico degli studi fatti, ad esempio, in galleria del vento. Risulta infatti estremamente efficiente nel caso si voglia studiare determinati modelli al variare delle condizioni iniziali o di funzionamento. Nel nostro caso si vogliono comparare diverse carene, senza variare le condizioni di simulazione (velocità, densità, altre condizioni al contorno).  

Si è coscienti che i risultati ottenuti potrebbero non essere perfettamente aderenti alla realtà: l’analisi CFD, per quanto sia uno strumento potente, tende a rendere quanto mai ideali le soluzioni ottenute. Malgrado ciò, resta un metodo estremamente valido in un contesto, come questo, nel quale si vuole fare un’analisi comparativa di diverse soluzioni tecniche.

​Per ottenere le prestazioni aerodinamiche da un software CFD, è necessario fornire dei dati al programma:

• la geometria (ovvero l’oggetto) del quale voglio sapere le caratteristiche fluidodinamiche;
• le condizioni ambientali alle quali testo il mio oggetto (velocità e direzione del flusso d’aria, densità, temperatura e pressione);
• i parametri per la discretizzazione del dominio di simulazione e definizione della fisica che governa la simulazione.

Con riferimento all’ultimo punto di cui sopra, per discretizzazione del dominio di simulazione si intende la suddivisione del volume d’aria della nostra galleria del vento virtuale in sottodomini di dimensione variabile (operazione di meshing). Grazie a questa operazione, il software può, tramite un lungo processo iterativo, applicare su ogni sottodominio le equazioni definite nella fisica del modello (queste equazioni governano anche le interazioni tra sottodomini adiacenti, e sono le Equazioni di Conservazione della Massa, dell’Energia e del Momento, opportunamente modificate): il risultato di quest’operazione è la definizione delle grandezze fisiche in tutto il dominio di simulazione. Da qui, è possibile ricavare le performance quantitative che interessano al nostro lavoro.

Six Newton Goal
After two years of experience with PulsaR in Battle Mountain, we came to the conclusion that there wasn’t much more room for improvement for that bicycle. If we aim to the European Record and the World Record, it was necessary to start a new project from draft.

Taurus fairing was the first component of the new bike to be designed because we wanted to keep PulsaR strength: being small, to fit our “small powerful engine”; defining the outer shell and its clearances, make structural and mechanical designer to adapt their work to the needed dimensions. If we had had designed the interiors in the first place, the outcome would have been a larger fairing (with decreased aerodynamic performances).



We used Rhinoceros, that is quite good for surface handling, coupled the fluid-dynamic analysis made with CFD software Star-CCM+ by Siemens.  



​Computational resources were provided by hpc@polito, which is a project of Academic Computing within the Department of Control and Computer Engineering at the Politecnico di Torino (http://www.hpc.polito.it)”.
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​What is a CFD software? 

CFD is the acronym for Computational Fluid Dynamics. CFD analysis is used to solve fluid-dynamic-based problems. Once you have a validated CFD models (validating means that you check the results with experimental data), it’s way more cheap than, for example, Wind Tunnel testing. CFD analysis is really cost-effective when it’s needed to study a particular model, varying initial or working conditions. For our activity, we needed to study different (but similar one another) fairings without changing simulations conditions (air velocity, density and border conditions).
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We know that the results we get may not be a perfect reflection of reality. CFD analysis is a very powerful tool in the hands of an engineer, but may give you a picture that is too perfect and ideal.  On the other hand, it’s very reliable when you want to make comparison between a lot of technical solutions (ie: different fairings).


To get results from a CFD software, you need to give data to the computer:

• Geometry of the object you want to study
• Ambient conditions you want to test your object in (air stream velocity, density, temperature and pressure)
• Selection of the physical models that govern the simulation
• Parameters to divide the main simulation domain

​The last line over here refers to the meshing operation. The mesh is the 3D grid that makes the simulation domain a discrete set of smaller subdomains (cells). The software can now apply the physical models (governed by Conservation Laws of Mass, Energy and Momentum) to these cells; the result of this operation, after a lot of mathematical iteration, is the definition of physical values on the entire domain. It’s now possible to recover the quantitative performances we need.

A sinistra un dettaglio della geometria appena dopo l’operazione di meshing (mesh aria in blu, superficie carena in grigio). A destra la stessa zona appena dopo il termine del calcolo con le frecce a indicare velocità e direzione del flusso d’aria.

To the left there is a detail of the geometry just after the meshing operation (air mesh in blue, fairing surface in grey). To the right there is the same area just after the end of the calculation with the arrows to indicate the speed and direction of the air flow.

Per i più curiosi: qualche numero e dato tecnico

Le simulazioni da noi effettuate contano un totale di circa 8.5 milioni di celle. Un importante contributo a questo numero è stato dato dall’utilizzo di 32 prism layers (strati di celle che avvolgono le superfici), utilizzati per meglio modellare gli strati in prossimità della superficie, e dalla grandezza minima di cella che si aggira intorno ai 2mm (senza considerare le zone di prism layer, dove la grandezza minima è ben inferiore).

​Le equazioni fluidodinamiche utilizzate sono state le RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations), accoppiate al modello di turbolenza K-Omega (necessario a chiudere il problema). La simulazione è stata fatta in regime stazionario, utilizzando in aggiunta il modello Gamma Re-Theta. Quest’ultimo modello è usato per meglio stimare la posizione della transizione da regime laminare a turbolento.

For the curious ones: a bit of technicals

Each simulation we made with Star-CCM+ has 8.5 milion cells. Prism layers cells bring an important contribution to the total number of cell; 32 prism layers have been used, to better model the part of the domain near the fairing surface. Minimum cell size is 2mm (this is referred to the cells that are not prism layer cells).



​We used RANS (Reynolds-Averaged Navier Stokes equations) coupled with K-Omega turbulence model. The simulation was in steady state, with the addition of Gamma Re-Theta transition model, to better estimate where the transition between laminar and turbulent boundary layer happens.

Andamento della Wall Shear Stress (tensione tangenziale a parete): il brusco cambiamento da blu a verde indica la probabile zona di transizione dal regime laminare a quello turbolento nello strato limite.

Wall Shear Stress trend: the sharp change from blue to green indicates the probable transition zone from the laminar to the turbulent regime in the boundary layer.

Come si è arrivati alla forma finale di Taurus?

Ogni carena è stata disegnata a CAD in base agli ingombri dati dal corpo del ciclista (i punti critici sono stati l’ingombro di pedalata, testa e spalle) e alla posizione delle ruote. Erano già state previste 2 ruote da 20 pollici, sempre nell’ottica di minimizzare la superficie riducendo anche il passo rispetto a PulsaR. Per ogni carena è stata effettuata una simulazione CFD, dalla quale sono stati estrapolate due informazioni principali:

• la resistenza aerodinamica totale (dato quantitativo che ha rappresentato la funzione da minimizzare);
• la posizione della zona di transizione. Come prevedibile, più il punto di transizione si spostava verso il posteriore, più bassa era la resistenza aerodinamica.

Taurus è il risultato di 36 differenti carene, ognuna delle quali oggetto di svariate varianti, per un totale di 86 versioni testate in ambiente CFD (2438 ore di simulazione). Giunti alla settantesima versione e avendo ridotto a 6.01 N la drag stimata a 145 km/h, scendere sotto i 6 N era diventata una questione di principio.

​In alcune versioni si è osservata la tendenza ad anticipare la transizione nella zona laterale-alta della carena. Si è quindi osservato che introducendo un miglior controllo della curvatura in sezione su quella zona era possibile ottenere ulteriori estensioni di laminarità. Abbiamo inoltre notato che la resistenza tendeva a ridursi abbassando il muso ed eliminando il copriruota esterno anteriore; così, dopo aver verificato i margini di inclinazione laterale, si è proseguito su questa strada.

How did we get to final Taurus shape?

Each fairing has been designed with CAD software considering biker clearances (critical points were cadence motion clearance, head and shoulder zones) and wheels position. For Taurus we will use two 20” wheels, to keep lower surface and gap between wheels. For each fairing we made a CFD simulation, from which we get the following information:
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• Total Aerodynamic Drag (quantitative information that represented the function to minimize)
• Transition position; we expected that, the more we managed to move the transition point to the back of the shell, the less was the aerodynamic drag

Taurus is the final outcome of 36 different fairings, each one with a lot of variants: in all these months of design, we tested at least 86 different shells in Star-CCM+ (2438 hours of simulation). Once we get to the 70Th version of the fairing, we went as low as 6.01 N of drag at 145 kph. It was a matter of principle: we had to break the 6 N wall.

​In some versions we observed an earlier transition near the top-lateral zone; for this reason we successfully decided to introduce a finer control over the curves generation in that particular area, in order to get an extension of the laminar boundary layer. Furthermore, we observed that total aerodynamic drag decreased if we would keep the nose pointed a bit more to the ground. Then we decided not to use a protection for the lower part of the front wheel and, once we checked that even without this protection the bicycle could roll right and left, we decided to proceed with this solution.

Wall Shear Stress su tre versioni intermedie di Taurus
con anticipo della transizione in zona laterale alta.

Wall Shear Stress on three intermediate versions of Taurus
​with advance of transition in high side area.

Il compito più difficile è stato coniugare gli ingombri interni con l’obiettivo di avere un profilo che facilitasse il mantenimento del regime laminare lungo la carena. Questo obiettivo è stato perseguito evitando bruschi cambiamenti di curvatura lungo la direzione longitudinale (garantendo così bassi gradienti di pressione). Per la parte principale della carena non è stato usato nessun profilo alare. Si è verificato l’andamento del Cp (coefficiente di pressione) lungo le linee di flusso a diverse altezze. Alla fine è risultato un profilo di pressione simile a quello della bicicletta da record ETA di Aerovelo.

Per la base del vano ruota posteriore è stato scelto un profilo alare simmetrico, successivamente modificato per adattarsi agli ingombri. Da ultimo, si è lavorato sui dettagli del profilo di coda prima di dedicarsi al tema della ventilazione interna, che prevede di prelevare aria tra quella centrifugata nel vano ruota posteriore.

The most difficult goal was to design a shape that helps to keep laminar boundary layer for the most of the length, and that respects the clearances of the interior. This task was pursued avoiding rough changes of curve (ensuring gradual pressure gradient). For the main part of the shell no airfoil was used. We checked the trend of the Cp (pressure coefficient) over the surface along different stream lines.
The final version of Taurus seems having a pressure profile similar to the one of ETA from Aerovelo team.

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It has been used a NACA symmetric airfoil for the rear wheel protection shell. This airfoil was then modified to better fit wheel clearance. At last, we refined the tail shape, just before thinking about internal ventilation (we want to get the air for the ventilation from the rear wheel well.

Andamento del Cp (coefficiente di pressione) sulle linee di corrente a diverse altezze da terra su una versione quasi definitiva.

Cp trend (pressure coefficient) on streamlines at different heights from the ground on an almost final version. 

Prestazioni di Taurus in ambiente CFD

In seguito a questi accorgimenti, si è riusciti a definire la forma finale della carena di Taurus; essa presenta 5.96 N di resistenza aerodinamica a 145 km/h, ripartiti in 23.9% di resistenza di pressione e 76.1% di resistenza d’attrito; considerando una velocità di 145km/h, densità dell’aria di 1.18 kg/m3 e Area Frontale di 0.284 m2, risulta un Cd di 0.0218. La densità ridotta di Battle Mountain aiuterà a scendere ulteriormente.

​Siamo consci del fatto che questi dati non possono essere considera reali: un modello CFD deve essere validato con prove sperimentali, non esistendo un workflow valido per qualsiasi situazione da analizzare. Non abbiamo avuto il tempo logistico per organizzare una sessione di test in galleria del vento prima del WHPSC 2017 (è in programma per l’inverno). Taurus risulta in ogni caso avere il 38.5% di resistenza aerodinamica in meno rispetto a PulsaR, analizzando il nostro vecchio prototipo con lo stesso modello CFD a pari condizioni ambiente. Anche considerando il +91% in drag che avevamo misurato tra CFD e realtà su PulsaR (in gran parte dovuto a errori di realizzazione che confidiamo di non ripetere), il risultato sarebbe di 387 W dissipati per l’aerodinamica a 145 km/h con la densità dell’aria di Battle Mountain. Incoraggiante.

Non vediamo l’ora di assistere alla performance di Taurus sulla State Route NV-305. Stiamo lavorando duro per portare il prototipo su pista il prima possibile. In questi anni, il Team non è mai stato così determinato e unito per raggiungere il suo obiettivo mondiale.

CFD performances of Taurus

After all this technical solutions we used, lots of fairings tested, we managed to define the final shape of Taurus. Taurus fairing suffer only 5.96 N of aerodynamic drag at the speed of 145 kph; 23.9% of the drag is pressure drag, the other 76.1% shear drag. Considering a speed of 145 kph, air density of 1.18 kg/m3 and a frontal area of 0.284 m2, we get a Cd of 0.0218. 


We know that this data are not same we will get on the road: a CFD model must be validated with experimental test, because a standard workflow good for all situations does not exist. We really did not have time to book a wind tunnel test session before WHPSC (we want to book it for the next winter). However, Taurus seems having 38.5% less aerodynamic drag than PulsaR, using the same CFD model of Taurus for our old record bike. Even considering an increase of 91% over the aerodynamic drag (we got this value comparing real and CFD performance of PulsaR), we would get 387 W of Power Loss for aerodynamics at 145 kph (Battle Mountain air density). Quite exciting, isn’t it?




We are looking forward, excited, to see Taurus performance on the State Route NV-305. We are working hard to get this vehicle on the road in time. In these years, the Team has never been so focused and united to reach his World Goal.

​La versione definitiva di Taurus, nella sua bozza grafica attualmente in corso di realizzazione.

The final version of Taurus with its draft look currently being manufactured.