Aerodynamic Analysis of Various Automobile Diffusers

Abstract

후면 디퓨저의 설계 최적화는 차량 연료 소비 감소의 중요한 수단이며 국제 자동차 회사들의 연구에 초점을 맞추고 있습니다. 차량 운행 중, 압력 저항은 전체 저항 중 약 85%를 차지합니다. 압력 저항의 주요 원인은 차량 후면에서 큰 회오리가 형성되어 공기 흐름에 난류를 일으키고 상당량의 운동 에너지를 열 에너지로 변환시키기 때문에 에너지 소비가 증가합니다. 따라서 차량 후단 구조를 개선함으로써 후면 회오리를 효과적으로 개선하고 공기역학적 저항을 감소시킬 수 있으며, 이는 차량 연료 소비를 효과적으로 감소시킵니다. 고속 주행 중 차량은 종종 "부유 현상"이라고 알려진 고속 공기역학 불안정 현상을 겪습니다. 운전자는 차량이 도로와의 접촉을 잃는 것을 느끼고, 조향 시스템의 반응이 둔화되며, 운전자는 차량을 완전히 제어하지 못하는 상황을 겪게 됩니다. 이 "부유 현상"의 직접적인 원인은 공기역학적인 양력이 차량의 무게를 극복하여 수직으로 땅에서 떨어지게 하고, 바퀴의 땅과의 맞닿음을 감소시키는 것입니다. 그러나 좋은 공기역학적 설계는 심지어 차량의 공기역학적인 양력 계수를 음수로 만들 수 있으며, 음의 공기역학적인 양력은 차량 속도가 증가함에 따라 증가하여 차량의 고속 안정성을 보장합니다. 이 연구에서는 CFD 방법을 사용하여 원통형 실린더 주변의 유동장에서 공기역학적인 양력에 영향을 미치는 중요한 영향 요인인 "지면 효과"를 조사했습니다. 지면 효과 이론에 기반하여 후면 디퓨저를 연장하여 차량의 하단을 길게 만들어 하단의 유속을 증가시키고 하부 압력을 감소시켜 양력을 줄였습니다. 동시에 디퓨저는 후면의 소용돌이 유동을 개선하고 저항을 감소시켰습니다. 본 연구에서는 현재 Tesla에서 개발 중인 로드스터 모델을 선택하여 승용차의 공기역학 저항과 양력을 감소시키기 위한 액티브 이동식 후면 디퓨저를 개발했습니다. 이 장치는 차량의 후방 범퍼 아래에 숨겨져 있으며, 일반적으로 차량의 외관 디자인에 영향을 미치지 않습니다. 고속 주행 조건에서는 후방으로 슬라이드 아웃됩니다. 승용차의 후방 범퍼에 설치된 다양한 길이와 각도의 후면 디퓨저 장치에 대해 CFD 분석을 수행했습니다. 다양한 이동식 디퓨저의 길이(150mm~450mm)를 비교해 본 결과, 길이가 400mm일 때 공기역학 저항이 최대 4.1% 감소되었습니다. 디퓨저와 지면 사이의 각도(0°~9°)를 비교해 본 결과, 각도가 2°일 때 공기역학 저항이 가장 크게 감소되었습니다. 또한, 다양한 후면 디퓨저 형상을 비교해 본 결과, 상부 윙 플레이트가 직선인 디퓨저가 공기저항 계수를 최대로 감소시킬 수 있었습니다. 마지막으로, 현재의 F1 레이싱 카를 기반으로, 로드스터에 적합한 이중층 후면 디퓨저가 설계되었습니다. 중간에 삼각형 날개 벽이 추가되어 최대 음압 리프트 계수가 45%에서 55% 증가하도록 설계되었습니다. 이중층 디퓨저의 조합은 공기역학적인 리프트 향상에 더 큰 잠재력을 가지고 있지만, 약간의 공기저항은 증가할 수 있습니다. 본 연구의 주요 목표는 후면 디퓨저의 액티브 변형을 통해 고속 주행 조건에서 승용차의 공기역학 저항 감소 메커니즘을 설명하는 것입니다. 후면 디퓨저 유닛을 설치함으로써 승용차의 후면 표면에 기본 압력을 증가시킬 수 있습니다. 동시에 차량 하부의 공기흐름에 대한 확산 효과를 증가시켜 속도를 감소시키고 압력을 증가시킴으로써 공기역학 저항을 감소시킵니다. 자동차 후면 디퓨저의 공기역학적 특성을 분석하고 개선함으로써, 디퓨저를 사용하지 않은 로드스터 모델과 비교하여 디퓨저의 역할을 시연합니다.|Optimizing the design of rear diffuser has long been an important means of reducing vehicle fuel consumption and a focus of research for international automotive companies. During vehicle operation, pressure drag on the front and rear surfaces accounts for approximately 85% of the total drag. The main cause of pressure drag is the formation of a large vortex in the wake of the vehicle, which creates turbulence in the airflow and converts a significant amount of kinetic energy into thermal energy, leading to increased energy consumption. Therefore, improving the structure of the vehicle's rear end can effectively improve the wake vortex and reduce aerodynamic drag, thus effectively reducing vehicle fuel consumption. During high-speed driving, vehicles often experience a high-speed aerodynamic instability phenomenon known as "float up" in which the driver feels that the vehicle is losing road contact, the steering system responds slowly, and the driver loses complete control of the vehicle. The direct cause of this "float up" is that the aerodynamic lift overcomes the weight of the vehicle, causing it to lift vertically off the ground, reducing the adhesion of the wheels to the ground. However, good aerodynamic design can even make the aerodynamic lift coefficient of the vehicle negative, and the negative aerodynamic lift increases with increasing vehicle speed, ensuring high-speed stability of the vehicle. Using CFD method, this study investigated the important influencing factor of aerodynamic lift, i.e., the "ground effect," in the flow field around a circular cylinder. Based on the theory of ground effect, a rear diffuser was extended to make the bottom of the car longer, increase the flow velocity at the bottom, reduce the bottom pressure, and thus reduce lift. Meanwhile, the diffuser also improved the vortex flow at the rear and reduced drag. In this study, a roadster model currently under development by Tesla was selected to develop an active translating rear diffuser to reduce the aerodynamic drag of passenger cars and reduce lift. The device is hidden under the rear bumper of the car and does not usually affect the exterior design of the car. It slides out to the rear under high-speed driving conditions. CFD analysis was performed on rear diffuser devices with different lengths and angles installed on the rear bumper of passenger cars. By comparing the lengths of different extendable diffusers (150mm to 450mm), it was found that the aerodynamic drag was reduced the most by 4.1% when the length was 400mm. By comparing the angles between the diffuser and the ground (0° to 9°), it was found that the aerodynamic drag was reduced the most at 2°. Moreover, by comparing different shapes of rear diffusers, it was found that the diffuser with a straight upper wing plate could achieve the maximum reduction in drag coefficient. Finally, based on the rear diffuser of current F1 racing cars, a double-layer rear diffuser suitable for roadsters was designed, with a triangular wing wall added in the middle to increase the maximum negative lift coefficient by 45% to 55%. The combination of double layer diffuser has greater potential for improving aerodynamic lift but will slightly increase drag. The main objective of this study is to explain the aerodynamic drag reduction mechanism of passenger cars under high-speed driving conditions through the active transformation of the rear diffuser. By installing a rear diffuser unit, the basic pressure on the rear surface of the passenger car can be increased. At the same time, it increases the diffusion effect on the airflow at the bottom of the vehicle, thereby reducing the speed and increasing the pressure, which in turn reduces aerodynamic drag. By analyzing the aerodynamic characteristics of the rear diffuser of the car and improving it, the role of the diffuser is demonstrated by comparing it with a roadster model without a diffuser. Keywords: automotive aerodynamics; aerodynamic lift; additional device; ground effect; optimization design.