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[Formula 1] #40 - F1에서 사용되는 윈드 터널 (Wind Tunnel) 이해하기 (1)
들어가며 F1 하면 가장 먼저 떠오르는 것이 고속으로 주행하면서 코너를 마치 땅에 붙은 것처럼 돌아나가는 것이 먼저 떠오른다. 이것이 바로 에어로다이나믹스의 힘이다. F1의 각 팀들은 차량
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5. 윈드 터널 활용하기
이제 우리는 차량이 실제 주행할 때와 같은 환경을 만드는 것에 성공했다. 이제 우리는 윈드 터널을 가동시켜 의미있는 행위들(?)을 해야한다.
간략하게 요약하면 크게 두 가지로 활용될 수 있다. 첫째, 차체를 지나면서 공기흐름이 어떻게 형성되는지 파악하는 것, 둘째, 차체가 공기를 맞을 때 어떻게 반응하는지 파악하는 것이다.
그럼 하나씩 살펴보자.
5-1. 공기 흐름을 측정하자
먼저 우리가 측정해야 할 것은 첫번째 것은 공기 흐름 그 자체다.
이전 포스팅에서 말한 대로, 윈드 터널은 공기역학적인 것들을 실험하고 검증하기 위해 사용된다. 특정 파츠를 차체에 추가했을 때 공기의 흐름이 의도한 대로 흘러가는지, 어떤 부분에서 공기흐름이 깨지고 있는지를 파악해야 한다. 이를 파악하기 위해서는 공기 흐름에 대한 데이터를 수집할 수 있어야 한다.
F1 차량은 최적의 에어로 다이나믹스 성능을 발휘되어야 한다. 이를 위해 각종 여러 방법이 동원되어 차량이 맞는 공기 흐름을 적절하게 갈라야 한다. 차체에 있는 각종 파츠들은 이를 위해 디자인된 것이다.
예를 들어, 몇몇 차량의 부품들은 항력(=드래그, Drag)을 발생시키지 않고 공기를 적당히 나눈다. 프론트 윙과 같은 몇몇 부품들은 다운포스를 생성시키거나 공기를 차량의 다른 파츠로 잘 인도하기 위해 공기를 신중하게 잘 조종하는 역할을 한다.
그렇기 때문에 당신이 공기역학 개발자라면 당신이 생각한 대로 공기가 잘 이동하고 있는지, 그리고 차량의 표면으로부터 공기가 너무 빨리 떨어지지는(detach) 않는지, 특정 공기가 무리와 떨어져버리지는 않는지 등을 확인하고 싶을 것이다.
하지만 공기는 눈에 보이지 않는다. 이 때문에 우리는 공기 흐름이 어떻게 형성되고 있는지 파악하기 위한 측정 도구 또는 방법이 필요하다. 이 측정 방법들을 하나씩 살펴보자.
피톳 튜브 (Pitot Tube)
공기흐름을 측정하는 몇몇 방식들 중 우리가 이미 봤을 법한 방법들이 있다. 프리 시즌 테스트(Pre-season Test) 또는 프랙티스(Practice session) 때 트랙에 나온 차량들이 뭔가 특이한 모습을 한 적을 봤을 것이다.
그 방법 중 하나가 피톳 튜브(Pitot Tube)를 사용하는 방법이다. 피톳 튜브는 공기 흐름의 속도를 측정하는 측정 도구이다. 이는 동적 압력(Dynamic Pressurre) 즉, 흐르는 공기의 힘으로부터 나오는 압력을 정적 압력(Static Pressure) 즉, 그냥 정지해 서있는 일반 공기 압력을 비교하여 실제 공기 압력을 측정해낸다.
만약 이런 피톳 튜브를 넓은 면적에 설치하여 여러 개를 둔다면, 차량을 지나가는 공기의 모양과 속도가 어떻게 형성되는지를 파악할 수 있다.
플로우 비즈 페인트 (Flow Viz Paint)
우리가 봤을 수도 있는 또 다른 측정 방법은 플로우 비즈 페인트 (Flow Viz Paint)이다.
공기 흐름을 파악하기 위해 차 표면에 특수한 페인트를 차량에 발라놓을 수 있다. 이는 공기 흐름으로부터 생성되는 힘이 차량 표면에 어떠한 영향을 주는지를 시각적으로 보여준다.
연기 시각화 (Smoke Visualization)
피톳 튜브(Pitot Tube)와 플로우 비즈 페인트(Flow Viz Paint)와 같은 간단하며 실제 트랙에서도 확인할 수 있는 방법들이 있지만, 효과적으로 설계된 실험적인 조건을 갖춘 실험실에서는 트랙의 여러 제약사항으로부터 자유로운 상태와 함께 더욱 더 많은 것들을 할 수 있다. 그 중 하나가 연기 시각화(Smoke Visualization)이라는 방법이다.
연기 시각화(Smoke Visualization)은 옛날부터 있어왔던 꽤 오래된 방식이다. 윈드 터널 내부에 약간의 연기나 안개와 같은 것을 뿌려놓고, 고해상도의 카메라를 사용해서 그 연기의 흐름을 즉정하는 방법이다. 이러한 방식은 바운더리 레이어(Boundary Layer)의 움직임을 포착하거나 난류(Turbulence)가 생성되는 부분을 포착을 더욱 쉽게 해준다.
바운더리 레이어(Boundary Layer)?
공기가 표면에 가까워짐에 따라 공기가 표면에 붙는 것.
불행하게도 이렇게 연기를 주입하는 방법에는 당연하게도 단점이 있다. 애써 열심히 만들어 놓은 깔끔한 층류(Laminar Flow)를 망칠 수 있다. 아무리 스모크를 부드럽고 안전하게 넣는다 하더라도 연기를 주입한다는 것 자체가 기껏 애써 만들어 놓은 층류를 해칠 수 있기 때문이다.
이렇게 되면 말짱 도루묵. 기껏 측정한 데이터를 분석하는 데에 어려움이 있을 수 있다.
입자 이미지 속도계 (PIV)
하지만 연기 시각화 방식과 비슷한 방식인데 공기흐름에 덜 방해가 되는 방식이 있다. 바로 입자 이미지 속도계(PIV, Partical Image Velocimetry)이다.
이 PIV 방식을 활용할 때에도 아주 약간의 스모크를 넣어준다. 대신 공기와 동일한 밀도의 연기를 넣어준다. 이렇게 되면 공기와 함께 잘 어우러질 수 있다. 그러고 나서 연기가 균일하게 퍼질 때까지 공기를 잘 순환시켜주면, 이 연기도 공기와 동일하게 층류를 형성할 수 있게 된다.
자 이제 여기가 중요하다. 차량을 지나는 스모키한(?) 공기를 레이저 빛과 함께 섬광을 터뜨려 두번 연속 사진을 찍는다. 컴퓨터 알고리즘은 이 두 이미지를 여러 영역으로 잘 나누어, 두 사진 사이의 입자의 움직임을 트래킹(Tracking)하고 그 영역의 공기 움직임을 보여주는 1차 분석 후, 공기의 속력과 방향 즉 속도(=벡터, Vector)를 보여주는 이미지를 생성한다.
최종적으로 우리는 두 사진을 비교함으로써 공기의 흐름을 파악할 수 있게 된다.
레이저 도플러 풍속계
PIV와 비슷한 방식으로 레이저 도플러 풍속계(Laser Doppler Anemometry) 방식이 있다. 이 방식은 무려 윈드 터널에 연기를 주입할 필요가 없다.
연기 시각화 방식이나 PIV 방식은 연기를 주입하는 방식이기 때문에, 측정 시작 전 몇 시간 동안 윈드 터널을 구동시키는 준비 작업이 필요하다. 하지만 레이저 도플러 풍속계는 연기를 주입하지 않기 때문에 따로 준비 작업이 필요가 없다.
풍속계란 단어 그대로 바람의 속도를 측정하는 것을 의미한다. 위와 같이 생긴 걸 어딘가에서 봤을 것이다.
레이저 도플러 풍속계는 우리가 알던 풍속계보다는 조금 더 스마트하다. 방식은 이렇다. 레이저 빛을 다른 각도로 공기흐름에 쏴준다. 이렇게 되면 레이저 빛은 반대편에 있는 감지기에 특정 패턴으로 투영될 것이다. 레이저 빛을 통과하여 지나간 입자들은 레이저 빛을 흐트러뜨리게 되는데, 반대편에 감지된 빛의 주파수는 공기 흐름의 속도에 비례하여 도플러 효과(Doppler's Effect)를 가져온다.
도플러 효과에 대해 자세히 파헤치지는 않겠으나, 공기 입자의 속도가 레이저 빛을 흐트러뜨리면서 공기 흐름 속도를 정확하게 측정할 수 있다는 것만 알고 있으면 될 것 같다.
참고 | 도플러 효과 (Doppler's Effect)?
발사된 초음파가 움직이고 있는 물체에 부딪히게 되면, 부딪힌 물체의 움직이는 속도와 방향에 따라 변화가 생긴다. 이러한 변화를 도플러 효과라고 한다. 도플러 효과를 초음파 검사에 이용해서 분석하면 혈관 안을 빠르게 움직이는 혈류의 속도와 양을 측정할 수 있다고 한다.
표면 압력 탭
윈드 터널에 넣어둔 차량 목업(mockup)의 표면에는 표면 압력 탭(Surface Pressure Tab)이 있다.
이 각각의 작은 구멍들은 차량의 표면을 지나는 공기의 압력 변화에 대해 반응하고, 압력 게이지에 공급원으로 작용하여 차량의 전체 표면에 가해지는 압력을 모니터링할 수 있다.
또한 공기 흐름의 특성과 힘이 차량의 어디로 가해지고 있는지를 파악할 수 있다.
5-2. 차량의 반응을 측정하자
공기흐름을 이해하는 것도 중요한 것이지만, 차량이 공기 흐름에 어떻게 반응하는 지도 알아야 한다.
하중 센서
차량에는 차량의 움직임과 가해지는 힘을 감지하는 센서가 부착되어 있다. 특히 몇몇 차량 특정 부분에 하중 센서가 몰려있기도 한다.
예를 들어 서스펜션 암(Suspension Arm)의 양 끝과 같이 하중 센서가 몰려있는 부품 중 하나다. 다운포스에 의해 차량이 눌리거나, 요철을 밟아 차량이 들려질 때, 또는 차량이 피칭(Pitching하거나 롤링(Rolling)할 때 차량의 하중 변화가 발생하기 마련이다. 이때 공기의 흐름에 차량의 서스펜션에 하중에 어떻게 전달되는지 측정이 가능하다.
다중-축 로드 셀 (Multi-axis Load Cell)
차량의 콕핏에는 위와 같은 다중-축 로드 셀(Multi-axis Load Cell)이 존재한다. 다중-축 로드 셀을 통해 주행 높이, 피칭(Pitching), 롤링(Rolling), 요잉(Yawing)등을 여러 시뮬레이션을 통해 감지하고 힘을 측정할 수 있다.
6. 시뮬레이팅
윈드 터널을 통해 공기흐름을 맞는 차량이 어떻게 반응하는지에 대해 살펴봤다. 하지만 이를 반대로 함으로써 특정 상황을 시뮬레이팅할 수 있다.
반대로 한다는 것은 윈드 터널 내에 있는 차량을 능동적으로 바꿔보는 것이다.
예를 들어 보자. 먼저 앞 바퀴의 스티어링 각도를 조절할 수 있다. 리어윙의 DRS를 껐다 켰다할 수 있다. 차량의 하중을 앞뒤/좌우/위아래로 바꿔볼 수도 있다. (피칭, 롤링, 히빙 등) 또한 차량의 배기를 표현하기 위해 뒤쪽에 배기가스를 내뿜을 수도 있다.
이를 활용하여 이러한 시나리오를 구현해볼 수 있다.
- DRS를 연 채로 일반적인 차량 포지션으로 달림 (스트레이트 구간을 가정)
- 드라이버가 스로틀(Throttle)을 떼는 것을 고려해 배기가스를 뒤로 배출 (코너 진입을 시뮬레이팅)
- 차량을 앞쪽으로 피칭시키고, 이와 동시에 DRS를 닫는다. (브레이킹을 표현)
- 이후 스티어링 휠 각도에 따라 피칭과 롤링을 주면서 동시에 요잉도 줄 수 있다. (차량 하중 이동 표현)
- 표한하기 위해 배기가스를 내뿜음 (코너 진출을 시뮬레이팅)
- 차량을 다시 원 상태의 포지션으로 돌려놓음
위 시나리오는 극히 일부의 시나리오다. 이와 같은 방식으로 여러 시나리오를 테스트해 볼 수 있다.
마치며
이번 포스팅에서는 윈드 터널에 대해 나름대로 깊이있게 정리해봤다.
윈드 터널은 CFD(Computational Fluid Dynamics)와 함께 차량에 대해 많은 것들을 파악하게끔 해준다. 이는 트랙에 사용될 부품들을 더더욱 예측가능하게 작동하게끔 만들어줄 수 있다.
그렇지만 윈드 터널과 CFD를 사용할 수 있는 시간은 경기 결과에 따라 사용할 수 있는 시간이 줄어들기는 한다. 하위권 팀들의 경우 예산이 부족해 상위권 팀에 비해 충분히 윈드 터널을 돌리지 못할 수도 있기 때문이다. 또한 환경적으로 봤을 때 엄청난 에너지를 소모하는 윈드 터널을 계속 돌리는 것도 문제가 된다.
그렇기 때문에 더 효율적이면서 스마트한 윈드 터널과 CFD 프로그램이 필요하다. 허용된 시간이 적은 상황에서도 수집한 데이터를 신뢰할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어가 필요하다는 말이다. 그러므로 CFD와 윈드터널은 아주 잘 긴밀히 이용되어야 한다.
하지만 요즘 환경과 결부되어 이야기가 나오는 것이 윈드 터널을 점점 페이즈 아웃(Phase out)하자는 것이다. 차량 부품은 실제 생산되기 전에 CFD를 이용하여 검토가 가능하다. 이 정도로 CFD의 정교함과 기술력이 많이 올라온 상태다. CFD가 더욱 정교해지고 발전된다면 언젠가는 윈드 터널을 대체할 수도 있지 않을까 싶다.
또는 굉장히 비싸고 환경적으로나 에너지적으로나 낭비인 윈드 터널보다 더 물리적으로 효율적인 시스템이 나올지도 모른다.
아무쪼록 언젠가 윈드 터널은 한때의 추억으로 남을 수도 있겠다라는 생각도 했다.
다음 포스팅은 플로우 비즈 페인트(Flow Viz Paint)에 정리할 예정입니다.
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