Numerical Study on Aerodynamic Characteristics Change of Fastback Type Vehicle with Front Splitter = 프론트 스플리터를 장착한 패스트백 타입 차량의 공력 특성 변화에 대한 수치적 연구

국문 초록 (Abstract)

차량의 공기역학적 특성은 연비 효율뿐만 아니라 고속 주행 안정성 및 핸들링 성능을 결정 짓는 핵심 요소이다. 특히 내연기관(ICE)에서 전기차(EV)로 전환되는 과도기적 시점에서, 주행 거리 확보를 위한 항력 감소와 주행 안정성 확보를 위한 다운포스 생성이라는 상충되는 목표를 동시에 달성하는 공력 장치의 설계는 매우 중요하다. 본 연구에서는 DrivAer 패스트백 모델을 대상으로 전산유체역학(CFD)을 활용하여 프론트 스플리터의 설계 변수(높이 H, 길이 L)와 차체 하부 형상(smooth vs. detailed)이 차량의 유동 구조 및 공력 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 또한, 초기 프론트 스플리터의 한계를 극복하기 위해 ‘Vent front splitter’와 ‘V.E.P. splitter (Vent front splitter with extension plate)’를 제안하고 그 성능을 검증하였다.
첫째, 초기 프론트 스플리터는 플랫폼 유형에 관계없이 스플리터 선단부에서의 유동 박리로 인한 거대한 재순환 영역 형성으로 언더바디 유동을 가속화하여 강력한 다운포스를 생성한다. 그러나 에어댐 전후의 압력 차이로 인해 발생하는 항력이 차량 항력 증가의 주된 원인이 된다. 더욱이, 프론트 스플리터로 인해 발생되는 다운포스가 전륜에 집중되고 후륜에 양력을 유도하는 공기역학적 불균형을 보인다.
둘째, 프론트 스플리터의 공력 효과는 차체 하부 형상에 따라 상이하게 나타남을 규명하였다. 전기차 플랫폼을 대표하는 smooth underbody의 경우, 스플리터 높이(H)가 증가할수록 스플리터 하부의 유동 가속이 심화되어 전체 다운포스가 지속적으로 증가하는 경향을 갖는다. 반면, 내연기관 플랫폼을 대표하는 detailed underbody의 경우, 스플리터가 하부 유동을 지면 방향으로 유도하여 복잡한 하부 구조물과의 간섭을 줄이는 효과를 보인다. 이로 인해 smooth 모델 대비 차체의 항력 감소 효과가 더욱 크게 나타났으며, 특히 H = 10mm 조건에서는 전체 차량의 항력 증가가 거의 발생하지 않으면서 높은 다운포스를 생성하는 우수한 효율을 보인다.
셋째, smooth underbody 차량에 장착한 초기 프론트 스플리터에서 나타나는 전체 차량의 항력 증가 (6~12%) 문제를 해결하기 위해 에어댐을 제거한 Vent front splitter를 제안하였다. 이 설계는 항력 증가를 base model 대비 ±2% 이내로 억제하여 항력 페널티 문제를 해결하였으나, 하부 압력을 낮추는 핵심 기제인 재순환 영역의 소실로 인해 다운포스 성능이 초기 프론트 스플리터 대비 크게 부족함을 확인하였다.
마지막으로, Vent front splitter의 부족한 다운포스를 추가적으로 확보하기 위해 확장판을 결합한 V.E.P. splitter를 제안하였다. 연구 결과, H, L, 그리고 LE 파라미터 간의 상충 관계 속에서 최적의 균형점인 H30-L50V-LE150_S 모델을 도출하였다. 해당 모델은 스플리터 상부와 차체 사이의 유동을 가장 효율적으로 가속시켜, 확장판 길이 증가에도 불구하고 차체 하부 표면 압력을 고유하게 감소시키는 특성을 보인다. 그 결과, base model 대비 항력 증가 없이 (ΔCD −1.2%) 초기 프론트 스플리터와 동등한 수준의 다운포스(ΔCL −125%)를 달성하였으며, 후륜 다운포스까지 회복하여 공력 밸런스를 개선하였다.
본 연구는 서로 다른 플랫폼(EV 및 ICE)을 가진 패스트백 유형 차량에 대해 항력 페널티 없이 프론트 스플리터를 활용하여 다운포스를 증가시키는 체계적인 설계 전략을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The aerodynamic characteristics of a vehicle are key factors determining not only fuel efficiency but also high-speed driving stability and handling performance. Particularly in the transitional era from internal combustion engines (ICE) to electric vehicles (EVs), designing aerodynamic devices that achieve the conflicting goals of drag reduction (for driving range) and downforce generation (for stability) is of paramount importance. In this study, the effects of front splitter design parameters (Height H, Length L) and underbody configurations (smooth vs. detailed) on the vehicle’s flow and aerodynamic characteristics were systematically analyzed using computational fluid dynamics (CFD) on the DrivAer fastback model. Furthermore, to overcome the limitations of the initial front splitter, the ‘Vent front splitter’ and ‘V.E.P. splitter (Vent front splitter with extension plate)’ were proposed, and their performance was verified.
First, it was confirmed that the initial front splitter generates strong downforce by inducing flow separation at the leading edge and forming a massive recirculation zone, which accelerates the underbody flow regardless of the platform type. However, the drag generated by the pressure difference across the air dam becomes the primary cause of the overall vehicle drag increase. Additionally, a severe aerodynamic imbalance was observed, where downforce generation was concentrated on the front axle, inducing lift on the rear axle.
Second, this study clarified that the aerodynamic effects of the front splitter vary significantly depending on the underbody configuration. For the smooth underbody (representing EV platforms), as the splitter height (H) increased, flow acceleration beneath the splitter intensified, leading to a continuous increase in total downforce. In contrast, for the detailed underbody (representing ICE platforms), the splitter directed the underflow towards the ground, reducing interference with complex underbody structures. This resulted in a greater drag reduction effect of the vehicle body compared to the smooth model; notably, at the H = 10mm condition, superior efficiency was demonstrated by generating high downforce with almost no increase in overall vehicle drag.
Third, to address the overall vehicle drag increase (ranging from 6% to 12%) observed with the initial front splitter on the smooth underbody vehicle, a Vent front splitter (with the air dam removed) was proposed. While this design successfully resolved the drag penalty by suppressing the drag increase to within ±2% relative to the base model, it was confirmed that the downforce performance was significantly insufficient compared to the initial front splitter due to the disappearance of the recirculation zone, which is the key mechanism for lowering underbody pressure.
Finally, the V.E.P. splitter, incorporating an extension plate, was proposed to secure additional downforce for the Vent front splitter. This study identified the H30-L50V-LE150_S model as the optimal balance point within the complex trade-offs between H, L, and LE. This model exhibited a flow characteristic where it accelerated the flow between the splitter’s upper surface and the underbody most efficiently, causing the underbody surface pressure to uniquely decrease despite the increase in extension plate length. As a result, it achieved a downforce level equivalent to the initial front splitter (ΔCL −125%) without any drag increase (ΔCD −1.2%) relative to the base model, and successfully improved aerodynamic balance by recovering rear axle downforce.
This study presents a systematic design strategy to increase downforce using a front splitter without incurring a drag penalty for fastback type vehicles with different platforms (EV and ICE).

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iv
• List of Tables vii
• List of Figures ix
• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Aerodynamics of Vehicles 1
• 1.2 Related Research 4
• 1.3 Research Motivation and Contributions 6
• Chapter 2 Numerical Analysis Method of Fastback Type Vehicles 9
• 2.1 Vehicle Models for Numerical Analysis 9
• 2.2 Numerical Analysis Method 11
• 2.3 Surface and Volume Mesh Configurations 14
• 2.4 Validation of the Numerical Analysis Method 17
• Chapter 3 Aerodynamic Characteristics Analysis of Smooth Underbody Vehicle 22
• 3.1 Front Splitter Models 22
• 3.2 Flow and Aerodynamic Characteristics Changes of the Front Splitter for Different Heights and Lengths 26
• 3.3 Flow and Aerodynamic Characteristics Changes of the Underbody for Different Heights and Lengths 32
• 3.4 Flow and Aerodynamic Characteristics Changes of the Front Wheelhouses & Wheels for Different Heights and Lengths 48
• 3.5 Flow and Aerodynamic Characteristics Changes of the Upperbody for Different Heights and Lengths 53
• 3.6 Aerodynamic Coefficients of Smooth Underbody with Front Splitter Models 59
• 3.7 Summary of Smooth Underbody Vehicle with Front Splitter: Physical Mechanisms of Flow Structure Changes 66
• Chapter 4 Aerodynamic Characteristics Analysis of Detailed Underbody Vehicle 68
• 4.1 Front Splitter Models for Detailed Underbody 70
• 4.2 Aerodynamic Coefficients of Detailed Underbody with Front Splitter Models 71
• 4.3 Flow and Aerodynamic Characteristics Changes of the Front Splitter and Underbody for Different Heights and Lengths 76
• 4.4 Flow and Aerodynamic Characteristics Changes of the Upperbody for Different Heights and Lengths 92
• 4.5 Summary of Aerodynamic Characteristics Changes for Different Underbody Vehicle 100
• Chapter 5 Front Splitter Design to Prevent the Increase in Drag for Smooth Underbody Fastback Type Vehicle 104
• 5.1 Vent Front Splitter Models 105
• 5.2 Aerodynamic Coefficients of Smooth Underbody with Vent Front Splitter Models 107
• 5.3 Flow Characteristics Changes of Smooth Underbody Vehicle for Different Vent Front Splitter Models 112
• 5.4 Vent Splitter with Extension Plate Models 127
• 5.5 Aerodynamic Coefficients of Smooth Underbody with V.E.P. Splitter Models 130
• 5.6 Flow Characteristics Changes of Smooth Underbody Vehicle for Different V.E.P. Splitter Models 135
• Chapter 6 Conclusion 149
• Bibliography 153
• 국문 초록 158