이전 포스팅에서는 소용돌이(Vortex, Vortices)의 역할에 대해서 알아보았다. 요약하면 Air-flow Separation, 즉 공기층 분리를 해결하기 위해 이용되는 것이 소용돌이라는 것을 알았다. 이번 포스팅에서는 차량 섀시(Chasis)를 살펴보면서 소용돌이가 어디에서 발생하는지 알아보자.
리어윙의 '엔드플레이트(Endplate)'를 살펴보자. 엔드플레이트가 없으면 이전에 설명한 것처럼 압력 차에 의해 옆으로 공기가 새나가면서 소용돌이(와류)를 형성한다. 사실 와류는 Air-flow Separation을 해결해주는 좋은 녀석이지만, 좋지 만은 않은 것이 Drag(항력)를 만들어낸다.
왜 드래그가 발생할까?
공기가 차체로 쭉 흘러오다가 리어윙을 만나 와류로 바뀌면 속도를 잃는다. 직선의 빠른 공기가 회전력을 가지면서 그만큼 에너지가 줄어든다고 생각하면 된다. 이로 인해 속도가 느려지면 저압이 되고, 저압의 공기가 상대적으로 고압인 차체의 앞쪽을 뒤로 끌어들이게 된다. 결국 이는 Drag를 발생시킨다. 이러한 와류를 방지하기 위해 리어윙의 양 옆에 엔드플레이트를 만든다.
(출처: YouTube Chain Bear)
엔드플레이트를 만들었지만 문제가 있다. 여전히 리어윙의 위쪽은 고압이고, 엔드플레이트 옆쪽은 상대적으로 저압이다. 그래서 리어윙 위쪽에 있는 공기가 엔드플레이트 바깥으로 넘어가게 되고, 이로 인해 윙팁 와류(Wingtip Vortex)가 발생한다. 이것 또한 문제인데 이는 어떻게 해결할까?
리어윙 : 루버 (Louvres) & 잘린 부분
(출처: YouTube Chain Bear)
리어윙 위쪽과 엔드플레이트 바깥쪽 간의 기압차를 조금이나마 줄이기 위해 루버(Louvres 또는 Slot, 엔드플레이트의 작은 구멍)를 만들었다. 엔드플레이트에 구멍을 뚫어 둘의 기압차가 줄어들었기 때문에, 고압의 리어윙에서 엔드플레이트로 공기가 덜 넘어오게 되었다. 하지만 여전히 '조금 약해진 윙팁 와류'를 발생시키기는 한다.
(출처: YouTube Chain Bear)
루버를 만들기는 했는데 여전히 '조금 약해진 윙팁 와류'가 있다. 이를 해결 하기 위해 엔드플레이트 끝 부분의 잘린 부분이 있다.
루버를 빠져나온 공기(주황색)는 리어윙 아래쪽(파란색)에 비해 상대적으로 고압의 공기이다. 루버를 지난 고압의 공기가 저압의 리어윙 아래쪽 공기로 넘어가게 되면서 와류를 생성하는데, 이 와류는 좀전에 설명한 '조금 약해진 윙팁 와류’랑 방향이 반대다. 따라서 둘이 서로 상쇄작용을 하게 되어 두 와류는 모두 사라지게 된다.
디퓨저 (Diffuser)
노란색 부분이 디퓨저(diffuser)이다.
디퓨저란 차체 아래에 있는 부분으로 공기의 흐름을 조절해 차량의 공기역학적 성질을 극대화시키는 섹션이다. 디퓨저는 리어윙의 예시와 동일하게 적용된다.
Ground Effect의 도식 (출처: YouTube Chain Bear)
차량 아래로 공기가 지나갈 때 그 공기를 쥐어짜고 그 속도를 가속화시킨다. 이러면 리어윙 설명과 동일하게 차체 뒤 부분은 굉장한 저압이 된다.이때 (리어윙에서 리어윙 뒤쪽의 비어있는 부분을 채우기 위해 그랬던 것과 같이) 뒤쪽에 형성되어 있는 저압을 메꾸기 위해 차량 아래에 있는 공기를 빨아들인다. 이로 인해, 차량 하부의 공기 흐름은 더 가속화가 되고 차체 아래가 엄청난 저압이 되므로 엄청난 다운포스를 받게된다. 이것이 바로 그라운드 이펙트(Ground Effect)이다.
정리하면 디퓨저의 역할은 디퓨저의 모양을 적절히 설계하여 저압의 빠른 공기 흐름을 차량 뒤쪽 주변으로 전환하고 이어주는 것이다.
F1 차량 설계시 레이크(Rake, 지면과 차량 하부의 각도)높여 공기 확산 과정을 더 매끄럽게 할 수 있다.
또한 디퓨저에 수직으로 된 판(내저판)이 있는데, 이 또한 공기를 차량 뒤쪽으로 매끄럽게 유도한다. 이를 통해 디퓨저의 효율을 높이고 난류를 덜 생성할 수 있다.
바지보드 (Bargeboard)
RedBull F1 car의 Bargeboard
바지보드는 얼핏 봐도 굉장히 복잡한 구조이다. 하지만 단순하게 역할을 정리 정도만 해보려 한다.
[역할 1] 서로 다른 공기 흐름의 방향을 바꾸고 그 모양을 형성
바지보드에 의해 생성된 와류가 공기층을 적절히 분리시켜주고 있다. (출처: YouTube Chain Bear)
차량 앞쪽에는 1)차량으로 들어오는 이쁜 공기 흐름, 2)프론트윙에 의해 생성된 와류, 3)타이어에 의해 생성된 더티 에어가 있다. 바지보드는 와류를 차체를 따라 이쁘게 이동하게 함으로써 1)과 3)을 분리시키게 해준다
[역할 2] 그라운드 이펙트 극대화
바지보드에 의해 생성된 와류가 사이드스커트 역할을 해주고 있다. (출처: YouTube Chain Bear)
바지보드 옆쪽에는 붙어있는 유도깃이 있다. 이 유도깃은 차량 하부 양 옆으로 자체적으로 와류를 생성하는데, 이는 하부의 공기가 빠져나가지 못하게 함으로써 그라운드 이펙트를 극대화할 수 있다.
참고) 지금은 금지된 side-skirt (출처: YouTube Chain Bear) 예전에는 그라운드 이펙트를 위해 스커트라는 가림막을 사용했으나 나중에 안전상이나 이런 이유로 금지시킴
S-덕트 (S-Duct)
파란색 화살표가 S-덕트를 통한 공기 흐름의 방향을 나타낸다.
S-덕트의 시작점은 차량 노즈의 콧구멍이고, 끝 지점은 앞바퀴 서스펜션 바로 앞쪽 우편함 크기 정도의 구멍이다. 이러한 S-덕트는 F1 차량의 2가지 문제를 해결해준다.
[문제 1] 경계층 문제
만약 S-덕트가 없었다면 차체 하부 표면에 Boundary Layer가 형성될 것이다. (출처: YouTube Chain Bear)
차량 아래쪽으로 들어오는 공기는 차량과의 마찰로 Boundary Layer를 생성한다. 만약 S-덕트가 없다면 노즈로 들어온 공기는 차량 하부 표면과 마찰을 일으키게 되고 이는 공기의 흐름을 느리게 만든다. 속도를 느려지게 만드는 Boundary Layer때문에 Drag와 압력 문제를 발생시킨다. 이런 Boundary Layer를 S-덕트를 통해 위쪽으로 유도해 빼냄으로써 문제를 해결해준다.
[문제 2] 노즈의 각도가 공기 흐름을 분리시키는 문제
차체 위쪽으로 지나가는 공기가 차체에 붙지 못하고 있다. (출처: YouTube Chain Bear)
이러한 Air-flow Separation은 Drag를 생성시킨다. 노즈의 끝부분에서 나온 공기가 분리된 공기층을 차체로 끌어 들일 수 있다.
3개의 포스팅에 걸쳐 F1 차량에 적용되는 에어로다이나믹스, 즉 공기역학에 대해 알아보았다. 사실 이게 전부는 아닌 것 같다. (당연..) 이 정도 배경지식이면 다른 에어로나믹스와 관련된 새로운 내용을 접했을 때 어느 정도 이해가 가지 않을까 싶다.
글쓰고 하는게 시간도 들고 나름의 힘(?)도 들지만 뭐니뭐니해도 재밌다! 새로운 지식을 쌓아가는 건 너무 즐거운 일이다. 아무쪼록 시간이 날 때마다 계속해서 틈틈히 YouTube Chain Bear에 있는 영상 내용을 하나씩 정리해 볼 예정이다.
