자동차 경주에 더 많은 흥미를 불어넣는 '버섯 깨기' 디자인

Tecplot Chorus가 Swift Engineering Inc.의 Formula 레이스카에서 버섯 모양의 와이크를 변경하여 추월을 용이하게 하고 레이싱을 더욱 흥미롭게 만들다

레이스에서는 항상 빠른 사람이 이기는 것이 아닙니다. 특히 Formula 자동차 레이싱에서는, 레이스카의 와이크가 너무 난기류를 일으켜 다른 차들이 아무리 빨리 달려도 추월할 수 없을 때가 많습니다.

“그렇게 되면 관람이 꽤 지루해질 수 있습니다.”라고 John Winkler 박사, Swift Engineering Inc.의 수석 공기역학자가 말했습니다. “추월이 적으면 선두 경쟁도 적어집니다. 차들이 서로 뒤따라서 그냥 트랙을 돌기만 합니다. 많은 사람들은 이것이 스포츠의 전반적인 흥미를 떨어뜨린다고 생각하고 있습니다.”

이제 Swift가 경주에 나설 차례입니다. 말 그대로, 레이스를 더 흥미롭게 만들기 위한 혁신적인 새로운 디자인을 선보이기 위해서입니다. 이것은 Swift Engineering이 혁신을 선보인 첫 번째 사례가 아닙니다. Swift Engineering의 디자인 및 복합재 제조 혁신은 거의 30년 동안 챔피언십을 차지한 레이스카들을 만들어왔습니다. 1983년 Formula Ford 디자인부터 현재의 Formula Nippon 탄소섬유 레이스카까지, 이 차는 200 MPH에 가까운 속도와 4 G 코너링을 자랑합니다. Swift는 혁신과 품질로 잘 알려져 있습니다.

몇 가지 버섯(버섯 모양의 와이크)을 깨고 자동차 레이싱을 더 흥미롭게 만들다

“우리가 레이싱을 더 흥미롭게 만들기 위해, 디자이너로서 무엇을 기여할 수 있을까에 대해 이야기하면서 시작되었습니다.”라고 Winkler는 말했습니다. “하나의 아이디어는 선두를 바꿀 수 있는 횟수를 늘려서 차들이 서로 쉽게 추월할 수 있도록 만드는 것이었습니다. 그 해답은 바로 ‘버섯을 깨는’ 것이었습니다.”

Winkler는 레이스카의 후방 날개에서 남겨지는 와이크의 모양을 이야기하고 있습니다. 이 와이크는 후방에서 보면 버섯 모양처럼 보입니다. Winkler와 그의 팀은 이 와이크의 형태를 변경하고 그것을 트랙의 표면에서 위로 띄워서, 추월하려는 차들이 마주하는 매우 난기류가 심한 장애물을 제거하거나 줄이려고 하고 있습니다. 그들은 이를 위해 Tecplot Chorus를 사용하고 있습니다.

프로세스 개요

Swift의 수석 과학자인 Mark Page와 공기역학자인 Andy Luo와 협력한 Winkler는 Swift 017.n의 후방 날개에 대한 간단한 섭동(perturbation) 연구를 시작했습니다. 이 연구는 날개의 위치와 회전 변화가 공기역학적 성능과 후류의 형태에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 위한 것이었습니다.

Winkler는 "우리는 후류의 형태를 변경하는 방법을 연구했지만, 성능을 희생하지 않는 것이 똑같이 중요하다는 점을 인식했습니다. 경주를 더 재미있고 흥미롭게 만드는 것도 중요하지만, 만약 그 차가 더 느리거나 코너링 성능이 떨어지거나 전반적으로 반응성이 떨어진다면 그 목적은 달성되지 않겠죠."라고 말했습니다.

그 후 연구팀은 질적인 흐름 시각화 결과를 사용하여 **하강력(downforce)**과 **항력(drag)**과 같은 정량적인 공기역학적 파라미터에서의 트렌드를 설명했습니다. 이 지식을 바탕으로 성능을 희생하지 않으면서도 추월을 촉진할 수 있는 디자인을 세울 수 있었습니다.

그리드 및 솔버

Winkler와 Luo는 **하이브리드 메쉬(hybrid mesh)**를 사용하여 완전히 구조화된 외부 영역과 비구조적 그리드를 차량 주변에 배치했습니다. Metacomp CFD++ 흐름 솔버를 사용하여, 차가 시속 150마일로 **표준 대기조건에서 59도(섭씨 약 15도)**에서 주행하는 시뮬레이션을 진행했으며, 초기 시뮬레이션은 자체 HPC 클러스터에서 약 9시간이 소요되었습니다. 그 후, 원래의 시뮬레이션 결과를 후속 실행의 초기 조건으로 보간하여, 각 실행 시간을 약 3.5시간으로 단축시켰습니다.

결과는 Tecplot Chorus로 가져와 분석을 진행했으며, Luo와 Winkler는 차량 전체 하강력과 후방 날개 하강력의 대체 플롯(surrogate plots)을 생성했습니다. 이 플롯들은 특히 회전이 포함된 경우 예상치 못한 이상한 결과들을 보여주었습니다.

Luo는 "날개의 방향과 위치가 조금만 변경되었는데도 성능 결과에 큰 변화가 생겼습니다. 그게 우리가 머리를 긁적이게 만든 부분이었죠. 날개가 조금만 움직였는데 어떻게 이렇게 큰 차이가 있을 수 있을까?"라고 말했습니다.

Luo와 Winkler는 그 후 Tecplot Chorus를 사용하여 날개 위와 아래의 표면 압력을 비교하고 분석했습니다.

Luo는 "우리가 여러 번의 실험 결과를 질적으로 평가할 때, 하강력 수치가 뭔가 다른 점, 뭔가 급격한 변화가 일어나고 있다는 것을 알려주었어요,"라고 말했습니다. "하지만 그것이 유효한 것인지 확실하지 않았죠. 이 비교 작업을 통해서만 우리가 본 것이 실제 결과였다는 것을 확인할 수 있었습니다. 오류가 아니었음을 알게 된 것이죠."

최종 단계는 대칭 평면 절단을 생성하여 날개의 단면과 그 주변 흐름을 나타내는 것이었습니다. 이를 통해 물리학적 원리를 설명하고 하강력 수치가 정확함을 확인할 수 있었습니다. 이 과정에서 가장 흥미로운 발견은 최적의 성능이 가장 적은 저항을 가진 후류를 생성했다는 점이었습니다.

이번 연구는 후방 하강력과 후류 형태가 날개 위치와 입사각에 얼마나 민감하게 반응하는지에 대한 이해를 돕기 위한 예비 조사였습니다. 이 연구는 소수의 섭동과 소수의 디자인 변수로 진행되었습니다. 다음 단계로는 연구 범위를 확장하여 더 많은 디자인 변수들을 포함시키고, **DOE(설계 실험)**를 수행하여 민감도가 높은 변수들을 분리한 후, **CFD++**를 외부 최적화 루틴에 적용할 예정입니다.

Tecplot Chorus의 속도, 효율성 및 조직화 기능

Winkler와 Luo는 Tecplot Chorus가 여러 시각화된 흐름 필드를 효율적으로 비교할 수 있게 도와주었다는 데 의견을 같이했습니다. 이러한 비교 결과는 특이한 하강력과 항력 트렌드를 설명하는 데 도움이 되었으며, 후류의 이동이 섭동된 파라미터에 따라 어떻게 달라지는지를 절단 평면에서 강조하는 데 큰 역할을 했습니다.

“디자이너의 입장에서, 특정 개념이나 디자인이 다른 것보다 더 나은 이유를 이해하는 것이 중요합니다.”라고 윙클러는 말했습니다. “유체 흐름을 검사하는 것은 공기역학적 설계 과정의 핵심 요소입니다. 이를 통해 디자이너는 해결책을 검증하는 것은 물론, 특정 설계 변수들이 유체 흐름에 어떻게 영향을 미치는지 더 잘 이해할 수 있습니다.”

이러한 비교는 다른 시각화 도구에서 스크립트를 사용해 수행할 수 있었지만, Tecplot Chorus는 모든 해결책을 쉽게 조직하고 분류하며 시각화할 수 있게 해줍니다.

루오(Luo)는 이렇게 덧붙였습니다. "Tecplot Chorus의 가장 좋은 점 중 하나는 문제 해결에 더 많은 시간을 할애하고, 스크립트 작성과 문제 해결에 소요되는 시간을 줄일 수 있다는 것입니다. 예전에는 4~5시간 걸리던 작업이 지금은 5~10분 만에 끝납니다. 저는 고객을 위한 엔지니어링 문제를 해결하는 데 시간을 투자하는 것이, 스크립트 작성과 관리 같은 지루한 작업에 시간을 낭비하는 것보다 훨씬 낫습니다."