2022년 F1 시즌이 시작되고나서 F1technical.net 을 뜨겁게 달궜던 글이 하나 있었음

https://www.f1technical.net/forum/viewtopic.php?t=30249

CFD - 2022 Ferrari F1-75 (sidepod analysis) - F1technical.net

CFD - 2022 Ferrari F1-75 (sidepod analysis) - F1technical.net

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특이한 형상의 페라리 사이드포드에 대한 이야기가 많았는데, 이걸 자작 CFD로 돌려 분석해버린 글이 올라온 것

관심 가지고 있던 사람들은 진작에 봤을 테고 시간이 좀 지난 글이긴 하지만, 2023 신차 발표를 앞두고 공기 역학 컨셉 이야기가 나올 것 같으니 내용번역 + 다른 차량들의 컨셉에 대해 알려진 것들을 살펴보도록 하자.

본인은 엄연히 ㅈ문가 이므로 틀린게 있으면 바로 댓글로 알려주면 고맙겠음

세줄요약

- 페라리 사이드포드가 꽤 공기저항이 낮을 수 있다.

- 레드불은 정석적이고 잘 정리된 컨셉을 들고 왔다.

- 벤츠는 2022년 이전 동안의 설계 철학(타이트한 콜라병 구간 패키징)을 그대로 들고 오려 했다.

- 페라리

아래의 CFD 시뮬레이션 결과는 Vanja#66이라는 사람이 직접 만든 CAD모델을 돌린 결과임

쇼카 모델과 페라리 모델 두가지를 돌려서 서로 비교하였음

압력계수(C_p)는 그 부분의 공기가 대기압보다 얼마나 높거나 낮은지 (동압으로 무차원화해서)나타낸 것

본문에서 편의상 저기압, 고기압이라 하는 것은 대기압에 비해 상대적으로 그렇다는 것

빨간 글자는 내가 더 추가한 내용(뇌피셜 주의)

이 시뮬레이션 결과를 받아들일 때 주의 할 점

- CAD 모델이 자체 제작 되었으므로 실제 F1-75와 큰 차이가 있을 수 있음

- 속도장 평면 같은 걸 봤을 때 좀 깨지고 불연속적인 부분이 있는 걸로 봐서 mesh가 충분히 세밀하지 않은 것 같음

- 차량 자체에 적용해야만 하는 경계조건(사이드 포드 인렛/아웃렛, 롤 후프 인렛 등)이 있는데 여기를 어떻게 처리했을지 의문

- 시뮬레이션 자체에 대한 정보가 너무 적음(최소한 무슨 solver인지는 알려주어야..?)

1. 사이드포드 앞부분

공기와 처음 부딪히는 곳이며, 압력이 높은 구간임

이러한 고기압 구간은 플로어 윗면(1)을 누르며 다운포스를 만들고, 사이드포드 인렛 아랫면(2)을 누르며 양력을 만들어냄

이러한 구간의 고기압은 플로어 앞전 부근 다운워시를 촉진하고, 더 많은 유량의 공기가 플로어에 공급되게 하여 더 강하게 작동하게 할 수 있음이 Kyle Forster에 의해 언급되었음

CAD 모델을 서너번 정도 수정 했어야 할 정도로 플로어 앞전 윗면의 유동 분리(3)를 제어하기가 힘들었는데, 사이드포드 인렛을 최대한 위로 올린 이유가 이를 제어하기 위함일 것임

(그래야 위에서 아래로 최대한 다운워시를 만들어 플로어 앞전 부분이 경험하는 받음각을 낮추고 유동 분리의 위험을 줄일 수 있으므로)

2. 사이드포드 윗면

윗면 전방의 하강하는 부분에 필연적으로 약한 저기압 구간(4)이 생기긴 하나, 뒤에 욕조 모양처럼 되어 있는 공간에 넓은 고기압 구간(5)이 생김

이러한 고기압 구간은 다운포스에 기여할 수 있으므로 페라리 컨셉의 중요한 이점 중 하나로 보임

결과적으로 이러한 사이드포드는 기존 쇼카에 비해 100% 정도 더 양력이 발생했음

그러나 이건 전에 언급한 플로어 윗면을 누르는 고기압 구간에 의해 어느 정도 상쇄됨

(여기서 100% 양력 증가는 별 의미 없음. 플로어 제외하고 사이드포드만 떼어서 비교한 것)

3. 사이드포드 뒷면

욕조 모양에 의한 고기압(6)과 디퓨져 윗면 고기압(7)에 의해 전체적인 큰 고기압 구간이 형성되게 되고, 이것이 사이드포드 뒷면에 작용하며 공기저항을 줄일 수 있었음

쇼카 모델과 사이드포드만 비교했을 때 공기저항을 50% 낮출 수 있었음

- 그러나 이 숫자는 다소 신빙성이 없어보임. F1 - 75 사이드포드 인렛 크기가 실제에 비해 좀 작아보이고, 특히 쇼카 모델보다 작도록 제작됬는데(8), 별다른 경계조건 없이 그냥 막아논 것 같음. 이렇게 하고 힘을 측정하는 표면에 막아논 면까지 지정했다면 당연히 기존 모델에 큰 공기저항이 걸릴 것임. 50%는 다소 믿기 힘들고, 뭔가 이런 트릭(또는 실수)이 있었을 것 같음

4. 기타

표면 흐름을 보면, 흔히 아가미라 불리는 냉각 공기 아웃렛이 표면 흐름을 따라 배치된 것임을 알 수 있음(9)

(그렇게 해야 아가미를 통해 나온 난류가 최대한 좁게 이동할 것이므로)

0.1m 높이 평면 속도장을 보면 쇼카 모델과 페라리 모델이 타이어 와류를 쳐내는 정도가 크게 다르지 않았음

이는 벤츠가 사이드포드를 작게 만드려고 생각한 이유일 수 있다고 생각함. 이에 대해서는 후술

0.3m 평면 속도장을 보면 쇼카보다 페라리 사이드포드가 아웃워시로 타이어 와류를 쳐 내고 있는 것이 관찰됨

이때 그 아웃워시가 너무 강한 나머지 사이드포드 옆면까지 붙어흐르지 못하고 떼어져 흐르며, 그 과정에서 와류가 발생함(10)

이렇게 사이드포드에 의해 만들어진 저-에너지(느린) 와류(10)는 뒷타이어와 충돌하게 되고, 결과적으로 뒷타이어 공기저항을 10% 이상 줄임(뒷타이어끼리만 비교했을 때 10%)

종합적으로, 쇼카 모델과 비교했을 때 페라리 모델은 1~2%의 다운포스 증가, 11% 정도의 공기저항 감소효과를 얻었음

자작 CAD 모델, 정확하지 않은 시뮬레이션이므로 1~2% 정도의 다운포스 증가는 의미있는 값이라 말하기 어려우나, 11% 정도의 공기저항 감소 효과는 충분히 눈여겨볼 만한 수치임

뜨거운 반응을 의식했는지 Vanja#66은 레드불과 벤츠의 CAD모델도 만들어 CFD 결과를 올렸음

https://www.f1technical.net/forum/viewtopic.php?t=30249&start=120

CFD - 2022 Ferrari F1-75 (sidepod analysis) - Page 9 - F1technical.net

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벤츠 CAD 모델의 경우 지금의 제로팟이라 불리는 것 이전의 극초창기 컨셉이긴 하지만, 결국 같은 철학이므로 참고해볼만 함

- 레드불

사이드포드 앞부분의 고기압 형성, 아웃워시가 페라리보다 적음. 페라리 만큼 뒷타이어에 와류를 충돌시키지 않으며, 따라서 뒷타이어 공기저항이 더 큼.

글 내용은 이 정도로 정리가능

다른 모델에 비해 레드불 뒷날개 윗면에 더 강한 고기압 구간이 있는 것에 대해서 레드불 사이드포드 윗면이 만드는 다운워시가 뒷날개의 받음각을 키웠기 때문이라는 분석이 댓글에 있었음

이건 뒷날개 자체 효율을 생각한다면 중요한 문제가 될 것임.

뒷날개가 다운포스와 공기저항을 만들고 있는 상황을 상상하고, 이때 다운워시를 고려해서 전체 시스템을 회전시켜보면 다운포스는 더 증가하는데 공기저항은 감소할 것임. 이런 식으로 사이드포드의 적절한 다운워시는 뒷날개, 또는 디퓨져와 빔윙의 효율까지도 올리는 중요한 도구가 될 수 있다고 생각함.

레드불 사이드포드 다운워시의 중요한 역할이 하나 더 있는데, 바로 뒷타이어 와류제어임. 뒷타이어 와류(tire squirt)가 디퓨져에 영향을 줄 수 있으며, 실제로 공기역학적으로 예민한 부분으로 알려져 있음. 이때 사이드포드 다운워시가 뒷타이어 와류를 눌러 그 크기를 줄여준다면 디퓨져가 더 깨끗하게 작동할 수 있게됨. 또, 뒷타이어의 와류 크기를 줄이는 것 자체가 공기저항 감소로 이어질 수 있음.

(멕라렌이 완전히 레드불 컨셉으로 바꾸기 전, 사이드포드의 뒷부분만 다운워시를 유도하는 모양으로 수정한 적이 있는데, 이때 James Key가 techtalk 인터뷰 나와서 이렇게 바꾼 이유가 다른 유동 구조를 시험해보는 것 + 뒷타이어 와류 제어라고 했음. 따라서 이 부분은 오피셜)

전체적으로 레드불은 사이드포드와 주변 장치가 같이 효율적으로 움직이도록, 2022 규정을 정석적으로 해석했다는 평가(Craig Scarborough)

- 벤츠

가장 적은 사이드포드 아웃워시, 가장 큰 뒷타이어 공기저항

벤츠의 디자인 철학은 불필요하게 사이드포드를 크게 해서 공기저항을 만들지 말고, 최대한 타이트하게 만들어 공기저항을 작게하고, 플로어 윗면 면적을 확보해서 다운포스를 뽑아내는 것이라고 할 수 있음. 최근 벤츠가 지배했던 기간(?~2021) 동안 쓰였던 철학이고, 2022년에도 그걸 적용하려 했다고 할 수 있음

사이드포드 자체가 앞타이어 와류와 플로어의 상호작용을 크게 바꿀 수 없다는 점이 이런 컨셉을 선택하는데 작용했을 것이라 생각함 (쇼카 vs 페라리 0.1m 높이 속도장 평면 참조)

흔히 벤츠처럼 사이드포드가 작으면 앞타이어 와류가 플로어에 다 빨려 들어가겠다고 생각하는데 그게 아니라는 것

플로어 자체가 유도하는 아웃워시, 특히 플로어 펜스, 스트레이크들이 유도하는 아웃워시에 의해 타이어 와류가 충분히 밖으로 유도될 수 있음

이건 추측일 뿐이지만, 벤츠가 상대적으로 느렸던 것에는 뒷타이어 공기저항이 적지 않은 영향을 미쳤다고 생각함. 뒷타이어 같은 두꺼운 실린더 모양은 매우 비유선형이기 때문에 실제로 전체 공기저항의 꽤 큰 부분을 차지함. 폴포징을 잡으며 후반에 페이스가 급격히 상승했고 헝가리 폴포지션, 브라질 우승이라는 성과를 냈지만, 폴포징을 잡은 이후에도 공기저항에 민감한 서킷에 가면 페이스가 쳐졌음(특히 벨기에, 아부다비). 물론 이런 이유 하나만이 문제가 아니겠지만.

그런데 2023 규정이 폴포징을 잡는데 도움을 주는 차원에서 플로어 병목 구간 높이, 플로어 엣지 높이를 더 높이게 되었음. 그렇게 큰 성능 저하는 없을 것이라는 분석이 일반적이지만, 플로어 아래에서 나오는 다운포스의 비율이 줄어들긴 할 것임. 그러면 플로어 위에서 다운포스를 뽑아내는 벤츠의 철학이 더 조금 더 유리해질 수 있을지도 모르겠음. 솔직히 벤츠가 2023년에도 2022 컨셉을 유지하겠다는게 의문이 들었는데, 혹시 이런 이유도 관여를 했을까 추측해봤음. 여러분의 생각도 궁금함.

+

구조적으로 사이드포드 인렛이 미드 섀시 부분에 딱 붙어있게 되었는데, 이는 노즈부터 미드 섀시를 거치며 두꺼워진 경계층이 유입될 수 있다는 것을 의미함. 즉, 냉각효율이 다소 떨어질 수 있음. 시즌 초반에 파워 유닛 냉각 이슈가 있었는데, 이걸 해결하기 위해서인지 다양한 조합의 와류발생기가 시도되었음.

플로어 앞전 윗면의 유동 분리 제어는 SIPS를 감싸고 있는 날개와 바로 위에 언급한 와류발생기의 다운워시가 도움을 주게 될 텐데(Kyle Forster),충분하지 않았는지 앞 위시본과 푸시로드의 연결 부위에 굴곡을 주어 더욱 다운워시를 촉진하도록 했음

시즌 극초반에는 단순한 모양의 플로어였는데, 영국 쯤 업데이트 되었을 것이라 추정되는 플로어 사진에 꽤 많은 변화가 있었음. 2023년도에 사이드포드는 이어가지만 이 플로어 밑 부분을 크게 바꾸었다고 하는데, 얼마나 큰 효과를 낼지 지켜보자.

-시즌 극초반 플로어

- 업데이트 된 플로어

읽어줘서 ㄳㄳ