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F1/테크

[F1테크] 사이드포드 - 보텍스 제너레이터

jayspeed 2015. 3. 7. 21:39



오늘은 사이드포드쪽입니다. 사이드포드는 프론트휠과 리어휠사이 섀시양쪽의 바디워크를 총칭하는 말로 기본적인 용도는 엔진 라디에이터나 혹은 인터쿨러 쿨링입니다만 요즘은 전자적장비들이 늘어나면서 ERS나 배터리스토리지 그밖에 유압장치들의 쿨링에도 여분의 에어로흡입량을 제공하고 있으며 팀마다 엔진및 터보차저 레이아웃의 형태에 따른 부피의 차이가 확연해지는 부분이기도 합니다. 현대의 F1카에서 가장 많은 양력(Lift Force)이 발생하는 부분으로 노즈와 프론트윙, 그리고 리어윙에 못지않은 중요한 미드레인지쪽 디자인파츠라 볼수 있습니다



사이드포드패키징을 바탕으로 한 에어인렛의 형태와 크기가 정해지고 뒷쪽으로 전체적인 바디워크가 완성된후 그에 맞춘 여러 에어로다이내믹스 파츠들이 윈드터널이나 CFD시뮬 그리고 테스트를 통해서 완성이 되는데 대개 디플렉터(Deflector)라 불리는 편향기와 보텍스제너레이터(Vortex Generator:와류발생기, 이하 VGs)로 이뤄져 있습니다. 요즘은 디플렉터란 단어 대신에 바지보드나 터닝베인으로 따로 분리해 불리고 있지만 이 사이드터닝베인은 불리는 이름들이 참 많기도 합니다. 터닝베인, 사이드포드 패널, 버티칼 베인, 버티칼펜스, 사이드포드펜스등등 F1카의 명칭중에 가장 정리가 안된 부분이기도 하군



2015시즌 마루시아/매너팀을 제외한 9개팀 차량의 사이드포드 디자인입니다. 유형별로 몇가지의 형태로 나눌수 있는데

하프펜스 + 1VGs = 레드불, 윌리엄스

풀펜스 = 페라리, 로터스, 포스인디아

버티칼베인 + 2VGs = 맥라렌, 토로로쏘, 자우버

풀펜스 + 2VGs복합 = 메르세데스

사이드의 버티칼베인은 스플리터(티트레이)에서 흐른 에어로스트림이 언더컷 형태의 사이드포드 하부를 완만하게 타고 흐른후 바디워크에서 이탈하지 않게 가두어주는 역할과 프론트타이어를 감고 도는 에어로를 차단하는 역할을 합니다만 오늘은 상단의 에어로스트림중에 펜스형태를 제외한 보텍스제너레이터에서만 대해서 간단히 알아볼까 합니다



기본적으로 F1카의 사이드포드 인테이크도 단위시간당 흡입량이 많은 편이긴 하지만 위사진의 전투기 인테이크처럼 극단적인 설계가 필요한 정도는 아닙니다. F1카의 사이드포드 엣지 디자인이 전투기의 그것과 달리 약간 뭉툭한것은 에어포일(날개) 형태의 단면적을 가진 엣지 디자인으로 양력을 최대한 줄이려는 이유와 아래사진처럼 의무적으로 부착해야 하는 측면충돌구조물 때문이기도 합니다 



노즈팁부터 시작되는 전방충돌구조물 그리고 프론트벌크헤드에서 리어벌크헤드 그리고 롤후프스트럭쳐로 이뤄진 서바이벌셀 기어박스케이싱에 연결되는 후방충돌구조물과 더불어 측면데미지와 전복사고에 대비한 측면부 안전장치입니다. 어느정도 두께가 있기때문에 사이드포드엣지가 두꺼워 질수밖에 없는 이유가 되겠습니다



위 사진은 맥라렌 MP4-30의 프로모션영상중에 캡쳐한 이미지위에 스트림을 그려 봤습니다만 어디까지나 저의 개인적인 해석으로 표현한 것이니 실제와는 차이가 있을수 있음을 염두해 두시기 바랍니다. 사이드포드 앞단의 스트림표현 역시 저정도로 깔끔한 자유기류(Free Stream)형태가 아니지만 편의상 스트림라인을 자유기류로 가정해 그려봤습니다. 먼저 사이드포드를 타고 흐르는 스트림중 옆단의 스트림은 터닝베인으로 가둘수 있지만 윗단의 스트림을 방치하면 위그림과 같은 많은 난류(亂流 ; Turbulent Flow)를 만들게 되는데요 난류는 층류(層流 : Laminar Flow)의 반대의 개념으로 속도와 방향의 유동성이 많고 물체표면에서 쉽게 박리(剝離 ; separation)되는 특성을 가지고 있습니다. F1카에서의 난류는 곧 드래그증가라는 말로도 해석할수 있습니다  



이와같은 이유로 유체의 특성을 난류에서 층류로 바꾸기 위해 사이드포드엣지 상단에 인위적인 장치를 붙이는데 이것이 바로 와류발생기 입니다. 이렇게 의도적으로 만들어진 와류(Vortex, Vortices)는 에너지를 가진 스트림으로 (물체의 표면을 따라 이동한다는 표현보다는) 저압지역으로 흐르는 특성이 있기 때문에 전체적인 난류들을 끌어들여 바디워크를 따라 흐르게 만드는 효과가 있습니다. 마치 태풍이 회전하면서 세력을 키우고 주이동경로가 기압이 낮은 저기압대를 찾아 움직이는것과 비슷하다 보시면 될듯 하군요 



옆에서 본 모습인데 표현한 스트림의 두께는 얇은 편으로 대략 10cm내의 스트림. 속도 역시 100km/h 정도를 예상한것입니다. 300km/h 이상의 진행속도에 따른 스트림의 변화는 아직 제 수준으론 상상하기 힘들군요. 아마도 엣지에 부딪혀 나온 바운스가 좀더 클듯하고 스트림 전이길이가 훨씬 뒷쪽으로 늘어날듯 하군요



이런 간단한 장치로 에어로스트림을 안정화시키는 것이야말로 고비용의 에어로다이내믹 부분에서 몇안되는 경제적이고 효과적인 측면이라 볼수 있습니다




에어포일 그러니까 날개형상의 표면을 흐르는 에어로스트림의 VGs유무를 표현한 그림으로 유체의 박리를 막아준다는 의미인데 아래그림처럼 저렇게 톱니바퀴처럼 스트림이 형성되는건 아닙니다. 많이 과장된 그림으로 개념만 이해하시면 될듯 하군요



F1기술들의 많은 부분이 항공기의 제작기술에서 나왔다는건 아마 많이들 아실거라 봅니다. 아주 오래전부터 그리고 현재에도 보텍스제너레이터는 폭넢게 사용되고 있습니다



일반 차량의 튠업파츠로 많이 사용되기도 하는데 요즘엔 저런 모습이 많이 줄어들긴 했습니다. 공기역학적인 효과는 분명하겠지만 미학적으로 보면 멋진모습은 분명 아닙니다



풍력발전기의 대형블레이드에도 보텍스제너레이터가 촘촘히 배열되어 있습니다



플로-비즈페인트 말고도 에어로플로우를 시각화하는 또하나의 방법인 리본을 단 모습인데요 아주 깔끔한 하향스트림을 보여주고 있습니다. 그러고보니 요즘 일반차량들에 달려나오는 샤크핀안테나의 형태도 거의 보텍스제너레이터와 흡사하군요



이건 풍동실험에서 나온 다이아그램인데 푸른색이 드래그 즉 차량의 진행을 방해하는 저압영역(Low Pressure Zone)으로 사진에선 녹색영역과 더불어 흔히 슬립스트림(Slipstream)이라 불리는 부분입니다. 엄청난 변화는 아니지만 눈으로 확인할수 있을정도의 차이를 보이고 있습니다. 이는 연비향상에도 상당한 도움이 될거라 봅니다 



비교체험 극과극!!!....이건 더 확실한 비교사진이군요. 한쪽날개의 절반은 VGs없이 나머지 절반은 VGs를 부착한채로 리본테스트를 했군요. 설명이 따로 필요없을듯 합니다



위 사진은 세계최대 풍력발전기 블레이드 제작업체인 LM윈드파워에서 실험한 이미지인데 VGs가 없을때와 있을때의 스트림의 변화를 섬세하게 보여주고 있군요. 제가 그동안 알고있던 단순히 원리를 설명했던 그림들보다 훨씬 대단한 효과를 보여주고 있습니다



현대의 F1에서는 세기가 힘들만큼 많은 인위적인 와류를 만들어 스트림을 제어하는데 여러장치들 중에서도 채널링이나 플랩각도에 따른 와류발생방법을 제외하고도 순수한 돌기형태의 VGs만을 찾아보니 금방 6군데(위사진)가 생각나는군요. 와류 역시 난류에 가까운 스트림이지만 적절히 사용하면 오히려 드래그를 줄이는 효과가 있다는게 조금은 아이러니 합니다. 


F1카 각부분의 에어로다이내믹에 관한 포스팅은 작년의 프론트윙(http://route49.tistory.com/172)부터 시작해서 이번에 사이드포드 그리고 다음에는 리어윙이 예정되어 있고 마지막으로 스플리터에서 디퓨저까지의 플로어하부 에어로를 다룰 예정으로 금년시즌중에 틈틈히 시간을 내서 포스팅하도록 하겠습니다. 다음주부턴 본격적인 그랑프리포스팅 모드로 돌아가게 되겠군요. 끝무렵에 도달하니 시간이 참 빠르다는걸 다시한번 실감합니다. 오늘은 여기까지 입니다. 


2 Comments
  • 프로필사진 알 수 없는 사용자 2015.03.08 00:53 ㅋㅋ 보텍스 제너레이터.....볼 때 마다..."악어가죽의 돌기"나 "물고기 비늘"이 연상됩니다.....
    언젠가는 F1머신의 표면이 부분적으로 '물고기 비늘'같이 되는 날도 오겠지..하는 생각을 항상 합니다..^^;
    - 비싸서 언제 할 수 있을지는 모르는 거지만요~ㅎㅎㅎ

    언제나 첨단의 과학 기술은..."생물"을 닮아 간다능~ㅎ
  • 프로필사진 BlogIcon jayspeed 2015.03.08 01:22 신고 F1의 테크놀로지를 얘기할때 가끔 Evolution 이란 표현을 쓰기도 하는데
    사실 수십 수백만년에 걸쳐서 완성된 동물들의 그것에 비할바는 못돼죠
    특히 유체의 흐름에 민감한 새나 물고기의 유선형몸체나 날개와 지느러미등은 F1에
    참 많은 아이디어를 제공해주고 있다는.......^^
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