공기 저항 계수, 즉 항력 계수를 측정하기 위해 자동차 제조사들은 풍동 시험 장치를 사용하곤 합니다.
항력 계수를 어떻게 측정하는지 궁금하시다면 이전 포스트를 참고해주세요.
자동차 항력 계수는 어떻게 구할까?
흔히 공기저항 계수라고도 표현되는 항력 계수. 친환경 전기차 시대가 오면서 여러 자동차 회사들이 항력 계수를 앞세워 기술력을 홍보하고 있습니다. 지난 글에서 항력 계수의 중요성에 대해
aerowhale.tistory.com
비싸기도 하고 어찌 보면 멋있기도 한 풍동 시험 장치.
그런데 이런 의문이 들 수 있습니다.
비싼 풍동 장치 쓰지 말고, 진짜 도로를 달려서 측정하면 안되나요?
실제로 자동차는 도로를 달리고, 도로를 달릴 때 측정해야 더 정확할 것 같은데 왜 풍동 시험을 할까요?
그 이유는 시험의 재현성 때문입니다. 쉽게 말해 시험의 결과가 다른 사람이 똑같이 수행 했을 때도 똑같은 결과가 나와야 한다는 것입니다. 재현성이 없는 결과는 인정받기가 힘듭니다.
실제 도로 위에서는 여러가지 변수가 많습니다. 기온이나 습도가 항상 바뀌며 심지어 바람도 시시각각 변화합니다. 이런 환경에서 시험한다면, 같은 사람이 같은 자동차로 시험한다고 해도 매일 다른 결과를 얻을 것입니다. 하지만 이런 것들을 통제할 수 있는 풍동이라면, 누구나 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있습니다.
사실 풍동 시험은 항공우주 분야에서 먼저 사용되었고, 자동차에는 나중에 사용되었습니다. 1934년 독일에서 항공 풍동 터널을 개조하여 처음 이뤄졌다고 얼핏 본 기억이 있는데 확실하진 않습니다.
컴퓨팅 기술이 발전하면서 CFD를 통해 풍동 시험을 대체하기도 합니다.
그렇다면, 풍동 시험 장치는 다 똑같이 생겼을까요?
풍동 시험 장치의 종류와 어떻게 생겼는지 한번 알아봅시다.
풍동 시험 장치의 종류
풍동 시험 장치의 종류는 크게 에펠형(Eiffel), 괴팅겐형(gottinger) 2가지가 있습니다.
1. 에펠형 (Eiffel type)
최초의 풍동 시험 장치는 에펠형 풍동으로, 이름에서 알 수 있듯 에펠탑의 그 에펠이 고안하였습니다.
에펠형 풍동의 특징은 다음과 같습니다.
- 비교적 크기가 작고 구조가 간단하다.
- 제어가 어렵다.
- 들어오는 바람이 시험하는 환경에 따라 변한다.
- 풍동 규모가 커지면 에너지 소모가 극심하다.
2. 괴팅겐형 (Gottinger type)
에펠 타입 단점을 보완하기 위해 개발되었습니다.
괴팅겐형 풍동의 특징은 다음과 같습니다.
- 코너의 블레이드와 스크린을 통해 난류를 억제한다.
- 시험 장비의 규모가 크며 비싸다.
- 폐쇄되어 있기 때문에 환경에 대한 제어가 에펠 타입에 비해 수월하다.
- 에너지 효율이 높아서 대형 풍동에 많이 사용된다.
시험부의 종류
시험부의 종류는 크게 폐쇄형(closed), 개방형(open), 슬롯형(slotted) 3가지가 있습니다. 다른 종류도 있지만 워낙 소수이기 때문에 여기서 다루지는 않겠습니다.
1. 폐쇄형 (closed)
에너지 손실이 작지만 시험 모델의 크기에 따라 blockage effect를 고려해야합니다. 이 blockage effect가 클 경우 항력을 과다하게 예측합니다. 시험부를 길게 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. blockage effect에 대해서는 다음에 자세하게 알아보겠습니다.
2. 개방형 (open)
여러가지 시험 장치를 위한 공간이 충분하다는 장점이 있습니다. 또한, blockage effect를 많이 줄일 수 있습니다. 그러나 노즐에서 나오는 유동이, 정지된 공기와 혼합하며 사용할 수 있는 유효 면적이 줄어들게 됩니다. 아래 그림에서 파란 색과 노란색이 섞여 연두색으로 되는 부분이 커지며는 것을 말합니다. 뒤로 갈 수록 섞이는 면적이 커지는 것을 볼 수 있습니다. 여기서 에너지 손실도 발생하기 때문에 폐쇄형에 비해 에너지가 많이 듭니다.(엄청난 전기세)
3. 슬롯형 (slotted)
Blockage effect를 피하면서 개방형과 폐쇄형의 장점을 모두 얻기 위해서 사용합니다. 그러나 실제로는 폐쇄형과 가까운 특징을 가집니다.
풍동 시험 장치의 종류도 꽤 다양한 것을 알았습니다. 그렇다면 자동차 제조사들은 어떤 풍동 시험 장치를 사용할까요?
다음 포스팅에서는 자동차 제조사들이 가진 풍동 시험 장치에 대해서 소개하겠습니다.
출처
[1] https://m.blog.naver.com/hyundai_blog/220859110496
[2] https://www.lghvacstory.com/wind-on-our-terms-wind-tunnel-technology/
[3] Installation and design of a new wind tunnel for measurement of vertical axis wind turbines (VAWT)
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_tunnel#/media/File:MD-11_12ft_Wind_Tunnel_Test.jpg
[5] https://jaimeirastorza.files.wordpress.com/2014/08/2012_bmw_6-series_convertible_136_1600x1200.jpg
[6] Ljungskog, E., Sebben, S., & Broniewicz, A. (2019). Flow Angularity Investigations in an Automotive Slotted Wall Wind Tunnel. Energies, 12(23), 4575. doi:10.3390/en12234575
[7] Wind-tunnel blockage effect on drag coefficient of circular cylinders
[8] Fu, C., Uddin, M., & Zhang, C. (2020). Computational Analyses of the Effects of Wind Tunnel Ground Simulation and Blockage Ratio on the Aerodynamic Prediction of Flow over a Passenger Vehicle. Vehicles, 2(2), 318–341. doi:10.3390/vehicles2020018
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