ㅈ문가 공대생이 쓴 글이므로 틀린 부분이 있을 수 있음

사소한 질문과 지적이어도 환영함

이번에 레드불의 트리플 DRS가 새로운 화두로 떠오르고 있음

따라서 이게 어떻게 가능한 건지 살펴보고자 함

전체적인 시스템에 대한 이해는 이미 매체에서 충분히 다룬 것 같으므로, 바로 작동 원리로 넘어가고자 함. 아직 이런 시스템이 친숙하지 않은 사람은 아래 글과 그 속 인용글 등을 참고하면 좋을 것 같음.

https://gall.dcinside.com/mgallery/board/view/?id=formula1&no=456297&search_head=20&page=1

일단 레드불 트리플 DRS의 작동원리로 추정되는 것은, DRS가 열릴 때 빔윙, 또는 빔윙과 디퓨저 일부까지 유동분리가 일어나 공기저항이 감소하는 것임.

유동분리는 말 그대로 유체가 표면을 따라 흐르지 못하고 떨어져 나갔다는 것임.

아래 그림과 같이, 받음각이 증가하는 날개의 실속 현상(양력계수의 감소 시작)을 일으키는 원인으로 보통 알려져 있음

보통 유동분리가 일어나면, 두꺼운 경계층에 낭비되는 에너지가 증가하므로 공기저항이 증가하는 것이 일반적임.(경계층이 뭔지 몰라도 ㄱㅊ)

여기서 짚고 넘어갈 점은 F1 차량의 날개는 받음각과 캠버(굽은 정도)가 큰 편이고, 따라서 업워시 또한 큰 편임.

무슨 뜻이냐면, 아래 그림처럼 날개로 진입하는 공기의 운동량을 위로 많이 올리는 구조라는 뜻임.

여기서 빨간색 화살표의 크기(운동량)가 줄어들었으면 줄어들었지 증가할 리는 없으므로, 저 빨간색 화살표를 위로 올리기 위해서는 무조건 공기를 앞으로 미는 성분(보라색 화살표)이 필요함.

날개가 공기를 앞으로 밀었으므로, 공기가 날개를 뒤로 밀음(작용-반작용)

F1차량은 이런 이유로 발생하는 공기저항 성분이 상당히 큼.

(대조적으로 받음각이 작은 날개의 경우, 단순히 날개 앞부분에 부딪히는 공기의 고기압이 공기저항의 많은 부분 차지(아음속))

이때 유동분리가 일어나 전체적인 업워시가 줄어든다면, 그만큼 날개는 공기를 위로 올리느라 앞으로 밀지 않아도 됨. 이것이 유동분리가 공기저항을 감소시킬 수 있는 메커니즘의 일부라고 이해할 수 있음

물론 유동분리가 일어나고 경계층에 낭비되는 에너지가 증가하지만(공기저항 증가 요소), 이것보다 저 이득이 더 크도록 잘 조정되어야 함.

정리하자면 F1의 날개는 받음각과 캠버가 큰 편이라 그에 따른 업워시도 크고, 여기에서 기인하는 공기저항 성분이 큼.

이떄 유동분리를 통해 업워시를 줄이면, 그에 따른 공기저항 감소효과를 누릴 수 있음

<주의> - 스킵 가능

분문은 매우 아음속인 유동을 전제로 하며, 단순한 이해를 위해 날개에 진입하기 전과 후의 운동량만 가지고 설명했음. 즉, 날개 표면을 지나면서 복잡하게 변화하는 운동량을 무시하였음. 따라서 당연히, 위의 이론이 유동 분리 시 감소하는 공기저항의 전부를 모두 설명할 수 없음. 다만 위의 이론이 직관적인 이해를 도울 수 있고 저런 메커니즘으로 감소되는 공기저항의 크기가 충분히 클 것으로(혹은 거의 대부분 일 것으로) 예상되므로, 본문에 서술하였음

2022~2023 차량의 경우, 뒷날개, 빔윙, 디퓨저가 모두 업워시를 만들면서 서로 의지하는 구조라고 할 수 있음.

무슨 뜻이냐면 이 부품들이 서로 상호작용 하면서 다같이 공기를 많이 끌어 올리다가, 그 중 하나가 업워시 만들기를 포기하면 다른 부품들이 느끼는 받음각이 달라진다(증가한다)는 것임.

여기서는 DRS가 그 포기하는 부품이고, 빔윙, 또는 빔윙과 디퓨져가 증가한 받음각에 의해 유동분리가 일어난다고 이해할 수 있음.

트리플 DRS라는 이름은 (기본DRS + 빔윙 + 디퓨저) 이렇게 3개, 또는 (기본 DRS + 빔윙 엘리먼트 2개) 라고도 볼 수 있을 것 같음. 디퓨저 부분까지 실속을 할지는 CFD 돌려본 사람만 알겠지..?

사실 이런 컨셉은 새로운 게 아니라, 예전 멕라렌의 F-duct, 메르세데스의 Double DRS가 공기저항(각각 뒷날개, 앞날개)을 줄였던 것과 같음. 다만 유동분리를 일으키는 메커니즘이 다를 뿐임. (공기를 표면에 수직에 가깝게 분사하여 유동 분리를 유발, active boundary layer control의 일환?이라고 볼 수 있음(다른 관점에서 보면 passive 하게 들어온 공기를 분사하긴 했지만 아무튼))

Gary Anderson은 레드불의 빔윙이 다른 팀들보다 더 큰 업워시를 만들어 내는 모양이고, 따라서 유동분리가 발생했을 때 감소할 공기저항의 크기가 클 것이므로 이 부분을 활용해 전체적으로 더 효율적인 패키지를 만들었다고 예측했음.

개인적인 생각으로는, 이런 트릭은 유명하므로 다른 팀들이 이걸 몰랐을 것 같지 않고, 다만 레드불이 이렇게 많은 공기역학 부품이 복잡하게 상호작용하는 상황을 잘 최적화 한 것으로 보임.

여기까지가 공기역학이고, 안티 다이브에 대해 조금 이야기 해보고자 함.

사실 차량 동역학 쪽으로는 제대로 배운 것이 없어서 사실상 독학 + 뇌피셜이므로 걸러 들을 필요가 있음

안티 다이브는 보통 서스펜션 구조를 알맞게 조정하여, 제동력 또는 제동 토크가 차량의 다이브 현상을 막도록 설계한 것을 말함.

보통 링크 기구를 이용한 트릭이 쓰이는데, 더블 위시본으로도 가능함.

아래 그림과 같이 위쪽 위시본과 아래쪽 위시본의 상대적인 장착 각 차이가 생기면, 업라이트의 운동 궤적이 곡선(파란색 선)을 그리게 됨. 구체적으로 말하면, 옆에서 봤을 때 어느 점(보라색 점, 아마 동점)을 중심으로 돌고 있다는 뜻임. (본문에서 "장착각"은 옆에서 본 각도 만을 지칭함)

쉽게 말하면, 원래는 서스펜션이 그냥 위아래로 움직였는데, 저렇게 장착하니까 어떤 점을 중심으로 업라이트가 회전할 여지가 생겼음.

바로 이때 제동 시 제동토크(보라색 화살표)가 그 회전할 여지를 이용해 업라이트를 회전시키고 싶어하고(토크는 free vector임에 유의), 그 회전 방향이 앞 서스를 아래로 내리는(차 앞을 올리는) 방향인 것임. 따라서 제동 시 다이브를 완화하도록 작용함. (브레이크가 바퀴에 작용하는 제동토크는 시계 방향이지만, 업라이트에 작용하는 반토크는 반시계방향임에 유의)

다만 여러 팀들의 서스펜션을 보면, 위쪽 위시본과 아래쪽 위시본의 상대적 장착각 뿐 아니라 위 그림처럼 전체적인 장착각이 보이기도 함.(위아래 둘 다 기울임)

이건 사실 제동력(보라색 직선 화살표)의 일부 성분(파란색 화살표)이 서스펜션을 위로 올려 다이브를 촉진하게 할 것으로 예상됨.

레드불이랑 애마에 상대적인 장착각과 전체적인 장착각 모두 보이는데, 어떤 효과가 더 클지는 모르겠음.

또는, 전체적인 장착각을 주는 것이 차량 동역학적으로 어떤 이점을 줄 수 있을지도 미지수라고 생각함. (보통 노면 bump의 성분이 위로만 작용하지 않으므로 그 수평 성분 에 대한 댐핑?)

또, 상대적인 장착각이 주는 부수적인 효과들도 있을 것으로 예상됨.(compression 시 캐스터 각 변화 -> (compression + steering) 시 cambergain 증가 -> bump steer?)

부족한 글 읽어줘서 ㄳㄳ

자작 CFD 첨부자료 - active boundary layer control을 활용한 의도적 유동분리 유발, 공기저항 감소의 확인 - 2012 Mercedes Double DRS와 같은 메커니즘

모든 이하 내용의 저작권은 작성자에게 있음

내 소유물이라 4월 7일 이후 사진들은 지웠음. 디만 링크는 남겨두겠음

직접 확인해보고 싶은 경우 아래 링크로(구글 계정 있으면 무료로 돌려볼 수도 있음, 혹시 못 찾은 경우 public project에서 "DDRSproject" 검색)

https://www.simscale.com/workbench/?pid=2953870908631671705&mi=spec%3A4d77b27e-007b-427e-855e-a9902f405107%2Cservice%3ASIMULATION%2Cstrategy%3A40

SimScale Login

SimScale Login

www.simscale.com

https://www.simscale.com/workbench/?pid=2953870908631671705&mi=spec%3A4d77b27e-007b-427e-855e-a9902f405107%2Cservice%3ASIMULATION%2Cstrategy%3A40