이전 [F1] #01 - 공기역학, 에어로다이나믹스(Aerodynamics) (1) 포스팅에 이어 어디 한번 설명을 계속해보자.
[Formula 1 공기역학 시리즈]
1) 에어로다이내믹스 개요
2) 리어윙 파헤치기 & 와류(Vortex)
3) 와류를 이용하는 섀시: 엔드플레이트, 루버, 디퓨저, 바지보드, S덕트
공기가 리어윙에 찰싹 붙어서 이동한다?
위 리어윙이 공기를 맞는 그림을 보자. 모든 물체가 그렇듯 공기 또한 마찬가지로 원래 가려던 방향으로 가려는 성질이 있다. 자세히 보면 리어윙을 지나가는 공기는 neat하지 않게 지나간다. 다시 말해 공기가 리어윙의 표면을 이쁘게 붙어서 가지는 않는다는 말이다.
그리하여 원래 같으면 리어윙 뒤쪽은 비어있을 것이다. 하지만 뒤쪽에 공기가 없으므로 그 부분에는 저압이 형성되고, 이전과 동일하게 고압에서 저압으로 공기가 이동한다. 이로 인해 공기 분자가 리어윙 표면에 잘 붙어서 가게 된다.
참고) 이전 포스팅에서 아래쪽 공기가 빠른 이유가 쪼아져서(squeeze) 그랬던거라고 햇는데, 사실 고압에서 저압으로 공기가 가면서 공기 속도가 빨라지는게 맞다.
공기가 리어윙에 붙는 또 다른 이유 - 점도
공기가 리어윙에 붙어가는 조금 더 작은 이유가 하나 더 있다. 공기의 층(layer)을 생각했을 때 표면에 가장 가까운 공기 층을 Static Layer라고 지칭한다. 여기 있는 공기들은 Molecular Force, 즉 분자 간의 힘에 의해서 리어윙 표면과 공기 사이의 끌어당기는 힘 때문에 속도가 느리다. 리어윙에서 멀어지는 Fastest Layer로 갈수록 속도가 점점 빨라지는데 이는 Layer간 마찰이 줄어들기 때문이다. 이 중간 영역을 Boundary Layer라고 한다.
이렇게 분자간 서로 끌어들이는 힘이나 마찰력을 점도(viscosity)라고 함. 이를 다시 표현하면, '리어윙 표면이 공기층을 잡아 질질 끌어버린다'라고 이해하면 된다.
리어윙 각도와 다운포스의 관계
위에서 공기가 리어윙의 표면에 붙어가는 이유를 알아봤다. 앞선 포스팅에서 리어윙의 각도를 높이면 다운포스가 증가하기는 하지만, 한계점에 도달하면 아무리 리어윙의 각도를 높여도 다운포스가 생성되지 않는다고 했다. 왜 리어윙을 너무 높게 잡으면 다운포스가 그만큼 안 생기는지 알아보자.
리어윙의 각도를 너무 올려버리면 뒷 공간에 비어있는 공간이 커지게 된다. 이때 표면에 붙어버리는 힘이 공기들이 원래 가려고 했던 방향으로 흐르려는 관성에 의해 충분히 작용하지 못한다. 따라서 공기들이 빈공간으로 올라가지 못한다. 이를 공기 흐름 분리(Air Flow Separation)이라고 한다.
Air Flow Separation이 발생하는 경우 리어윙 아래쪽의 공기의 평균적인 방향이 아래 방향으로 이동할 것이며, 이로 인해 힘의 벡터 방향이 아래로 이동하게 된다. 이는 공기를 위로 덜 민다는 의미이고, 이는 다운포스가 덜 생성된다는 의미가 된다.
난기류(Turbulence)의 발생
또한 Boundary Layer와 Separated Flow 사이에 공간이 비어버리면 압력차가 발생해 여기를 메꾸려 하는데, 이 때 Boundary Layer에 있는 공기가 빨려들어가고, 이로 인해 난기류(Turbulence)를 생성하게 된다.
참고) Laminar Flow : 잘 쌓여있는 정돈된 air-flow
다운포스가 줄어드는 만큼 Drag가 증가하는데 이를 'Stall' 이라고 한다.
이 문제를 해결하려면 그냥 리어윙을 너무 공격적으로 안 높이면 된다. 근데 이건 포기하는거다. F1 머신 개발자들은 어떻게든 해결한다. 이 문제를 본질적으로 어떻게 해결할 수 있을까? 다시 말해 다운포스를 어떻게 제대로 잘 생성할 수 있을까?
와류(Vortex)를 사용하자
Vortices (Vortex의 복수형)란 나선 형태의 에어 흐름을 가지는 '와류(소용돌이)'이다. (나사 모양을 생각하면 된다.) 와류는 나선형이기 때문에 아래에 있는 공기가 위로, 위에 있는 공기가 아래로 이동한다. 그러므로! 리어윙 아래로 와류를 잘만 보내면 나뉘어져 있던 공기층이 붙일 수 있게 된다. (대박) 이러한 와류는 자세히 보면 모든 샤시에 적용되어 있음을 알 수 있다.
Vortices 적용 사례
[적용사례1] 공기가 차량 위 - 아래로 나뉘는 현상 해결
예를 들어 공기가 리어윙까지 다다르기 전 차량의 노즈부터 시작해서 바디까지 공기가 지날 것이다. 이러한 과정에서 리어윙에 도달하기 전에 Air-flow Separation이 발생하면 앞서 설명한 이유로 인해 다운포스가 감소하게 된다.
게다가, 이렇게 Air-flow Separation이 발생하면 리어윙 뒤쪽에는 공기가 전혀 없어지게 된다. 이러면 어떻게 될까? 차량 앞쪽에는 공기가 많아지고(고압), 차량 뒤쪽은 공기가 적어진다(저압). 이로 인해 차체가 고압에서 저압으로 이동하려는 힘을 받게 되고, 이로 인해 차량의 속도가 느려진다. 이를 drag라고 한다. 압력 차로 인해 차가 뒤로 빨려들어간다고 생각하면 쉽다.
이러한 Air-flow Separation를 해결하기 위해 Vortices가 이용될 수 있다.
[적용사례2] 공기가 위쪽에서 봤을때 양 옆으로 빠지는 현상
양 옆으로의 Air-flow Separation은 프론트윙이 해결해준다. 프론트윙은 얼핏 봤을 때 엄청 복잡해 보이지만, 간단히 요약하면 프론트윙이 옆으로 빠지는 공기를 모아주기 위해 엄청나게 큰 와류를 만들어주는 역할을 한다.
또한 이런 와류를 통해 타이어에 의해 발생하는 Dirty-air로부터 공기의 흐름이 엉망이 되지 않게끔 해준다.
그럼 대체 어떻게 와류를 만들어낼까?
프론트윙을의 한 부분을 떼어내어 생각해보자.
위쪽은 고압, 아래쪽은 저압이 형성되고, 이로 인해 고압에 있는 공기가 저압에 있는 공기로 흐르려하는 성질이 있을것이다. 근데 공기가 프론트윙을 지나갈때까지 기다릴 필요가 없다.
프론트윙 끝 모서리에서 고압에있는 공기가 저압으로 둥글게 이동한다. 이걸 기점으로 해서 조그마한 와류가 생기는데, 프론트윙의 모든 컴포넌트들이 상호작용하면서 거대한 와류를 생성하게 된다.
이어서 계속-
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