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리어디퓨저
리어디퓨저(rear diffuser)는 자동차 아랫부분으로 들어온 공기를 다운포스로 변환시켜 타이어의 접지력을 향상시키는 기능을 수행하는 장치를 말한다.[1]
개요
자동차 주행 시에는 자동차 주위로 흐르는 공기의 작용으로 인해 여러 힘이 작용한다. 프런트 스포일러와 사이드스커트는 차량 밑에 공기를 흐르게 하는데 이 공기가 계속 머물게 되면 리프트가 생겨 차량을 들어 올리는 힘이 생긴다.[2] 자동차가 뜨지 않고 도로에 붙이는 데 쓰이는 다운포스(downforce)는 드래그포스(dragforce)와는 기본 원리는 비슷하지만, 조금 다른 개념이다. 이 개념을 단순히 말하자면 드래그포스가 자동차의 앞뒤 압력 차에 의한 힘이라면, 다운포스는 위아래의 압력 차에 의한 힘이라 할 수 있다. 이러한 위 아래에 작용하는 압력 중 아랫면의 압력을 조절함에 있어서 디퓨저의 개념이 등장한다.[3] 디퓨저 중 차량 후면 하단에 장착되는 리어디퓨저는 차체 하부에서 흘러나오는 공기의 유속을 빠르게 하고 다운포스를 발생시키는 역할을 한다.[4]
원리
디퓨저가 자동차 실내의 방향제를 말하는 것은 아니다. 영어로는 diffuser 즉, 확산기라는 의미이다. 이런 유체역학적인 디퓨저의 원리에 대해 쉽게 알아보면, 먼저, 유체(공기)가 어떠한 길(혹은 관)을 따라서 유동할 때, 유동 단면적과 유동 속도와의 관계가 있다. 한 흐름의 유동에 대해서는 단면적과 속도는 반비례의 성향이 있다고 말할 수 있다. 물론 밀도, 온도 등과 같은 여러 가지 변수들이 있지만, 단면적과 속도가 반비례의 관계라는 것에는 변함이 없다. 즉, 한 흐름의 유동이 좁은 곳을 지나면 빠르게, 넓은 곳을 지나면 느리게 흐른다는 것이다. 이제 ‘확산’이라는 원리에 대해서 이해해야 한다. 기본적으로 확산은 단면적을 크게 하여 유체의 속도를 줄이고, 정압(압력)을 상승시키는 것을 말한다. 에너지 보존의 법칙으로 설명되는 베르누이 정리에 의해, 압력과 속도 또한 반비례 관계를 갖게 된다. 즉, 유동 단면적이 넓어 속도가 느려지면 압력은 상승한다. 자동차 리어디퓨저는 상대적으로 지면과 차량 바닥 사이의 유동 단면적은 작고, 자동차의 빠른 주행속도 때문에 낮은 압력을 가지게 된다. 이렇게 빠른 속도와 낮은 압력으로 흐르던 공기는 앞서 알아본 확산의 원리와 같이, 높은 단면적을 갖게 하는 리어디퓨저 때문에 속도가 급격히 줄어들고 높은 압력을 갖게 된다. 리어디퓨저가 유동 단면적을 급격히 넓혀주면, 유동 속도가 줄어들게 되고, 압력이 높아지게 된다. 여기서 차량 바닥의 유동과 리어디퓨저에서의 유동과의 압력 차가 커질수록, 자동차 바닥 면의 유동은 진공에 가까운 저압을 형성할 수 있는 것이다. 그렇다면, 차량 바닥 면의 빠른 속도가가 있어야 하는 레이싱 경기와 같은 곳에서는 차량이 코스를 이탈하지 않도록 하고, 접지력을 높이는 다운포스의 역할은 매우 중요하다. 이 다운포스는 자동차 윗면과 바닥 면 사이의 압력 차에 의한 힘이라고 할 수 있다. 따라서 디퓨저를 통해 차량 바닥 면에 저압이 형성되면, 다운포스가 아주 효과적으로 증가하게 된다. 디퓨저의 또 다른 역할은. 자동차 바닥 면에서 매우 빠르게 흐르던 공기는 유동 면적을 넓히는 디퓨저를 통해 느린 출구 속도를 가지게 된다. 이렇게 출구 속도를 느리게 컨트롤함으로써, 자동차 바닥 면에서 매우 빠르게 흐르던 공기는 대기 중으로 비교적 부드럽게 합류하여, 난류 발생을 억제할 수 있다. 또한 디퓨저에서 디바이더라고 불리는 칸막이가 있다. 이 칸막이의 역할 또한 심한 소용돌이 발생을 방지하여, 불규칙한 유동인 난류의 균형과 억제에 그 목적이 있다. 앞서 말한 것처럼 디퓨저는 다운포스를 발생시키고, 차량 후미에 난류가 발생하는 것을 억제한다. 또한 디퓨저는 자동차 앞, 후면의 압력 차에 의해 발생하는 드래그 포스를 줄이는 역할도 한다. 차량 주변에 발생한 난류와 같은 불규칙한 유동을 컨트롤함으로써 차량 후미의 저압 영역을 개선할 수 있다. 차량 뒤의 저압 영역이 개선되면 차량 앞뒤의 압력 차가 줄어들고, 결과적으로 드래그 포스는 줄어든다.[3]
특징
일반적으로 덕트 형(파이프와 같은 폐쇄 형태)의 확산기는 확산 각도가 7도를 넘어갈 수 없다. 하지만, 차량용 리어 디퓨저의 경우는 파이프와 같은 폐쇄 형태가 아니라 오픈된 상태의 유동이고, 디퓨저 표면에 발생하는 와류 또한 자동차 리어 디퓨저의 확산 각도의 자율성에 영향을 끼친다. 이러한 디퓨저의 확산 각도는 유동 단면적을 조절할 수 있다. 디퓨저의 확산 각도가 크면 비교적 넓은 유동 단면적, 확산 각도가 작으면 비교적 적은 유동 단면적을 갖게 된다. 여기서 확산 각도가 너무 높으면, 지나친 다운포스로 드래그 포스가 발생할 수 있고, 또한 공기가 디퓨져를 따라 흐르지 못하고 세퍼레이션(박리현상)이 발생한다. 반대로 확산 각도가 너무 낮으면, 다운포스의 효과가 작아져 디퓨저의 효과가 없다. 앞서 말한, 디퓨저의 확산 각도에 따른 현상은 한 가지 간단한 실험을 통해서도 알 수 있다. 물과 숟가락만 있으면 손쉽게 할 수 있으니 직접 해보는 방법도 있다. 먼저 낮은 각도에서는 물(공기 역할)의 유동이 숟가락(디퓨저 역할) 표면을 잘 따라 흐르는 반면, 높은 각도에서는 물의 유동이 숟가락 표면을 따라 흐르지 못하고 세퍼레이션(박리현상)이 발생하게 된다. 물과 숟가락으로 다운포스에 대한 신기한 실험도 할 수 있다. 지면 역할을 하는 아크릴판을 준비하고, 공기 역할을 하는 물을 흘려보내서 공기 유동처럼 유사하게 만든다. 마지막으로 디퓨저 역할을 하는 숟가락을 물에 가져다 대면, 달라붙을 것이다. 이는 숟가락의 형태가 아크릴판과 숟가락 사이에 저압을 만들고 압력 차이를 형성시키는 디퓨저의 역할을 했기 때문이다.[3]
역할
이 디퓨저의 역할은 임펠러에 공기가 주는 운동에너지를 효율성 있는 압력으로 변환시켜가는 것이다. 효율성이 나쁜 디퓨저이면 압력이 변환될 때 압축에 의한 온도 상승 이상으로 공기 온도가 상승한다.다운포스가 생성되는 차체 바닥 중에서도 가장 많은 다운포스가 생성되는 구간이 바로 디퓨저가 시작되는 구간이다. 디퓨저는 유체를 방산하는 역할을 하는데, 이를 위해서는 벤투리관이 필요하다 벤투리관은 점점 진행될수록 지름이 작아지는 관으로 유체를 흘려보냈다가 다시 정상 압력으로 되돌려야 할 필요가 있을 때 이런 형태를 활용하곤 하는데, 이때 유체의 속도가 가장 빨라지는 구간은 바로 직선에서 다시 확장되며 커지는 관의 입구 부분이다. 이때 압력은 다시 한번 낮아지고 속도도 빨라진다. 하지만 이동 거리가 길어지면서 압력은 점점 높아지는데 디퓨저 바로 앞에서는 다시 한번 압력이 낮아진다는 걸 알 수 있는데, 이것이 바로 벤투리관의 원리이다. 디퓨저는 바로 차체 하부를 완벽한 벤투리관으로 만들기 위한 장치이며, 바꾸어 말해 차체 하부를 지나가는 유속을 최대한 빠르게 만드는 일종의 흡입 장치와도 같은 역할을 한다는 뜻이다. 이런 형태를 유지하는 것은 압력손실을 최소화 할수 있다. 디퓨저가 하는 또 다른 역할은 유체가 역류하는 현상을 최소화 하기 위함인데, 이는 디퓨저의 기울기를 보면 알 수 있다. 대부분의 사람들이 디퓨저를 볼 때 수직으로 내려와 있는 핀의 형상을 보지만, 사실 수직 핀은 공기가 진행 방향을 정하는 채널의 역할을 하는 부분이며, 실제로는 핀을 포함해 차체 바닥 면에 붙어 있는 기울어진 면이 더욱 중요한 부분이다. 기울어진 면으로 향하는 공기는 저기압에서 서서히 정상 압력 상태로 회복되는 과정을 거치는데, 이 과정이 생략되고 갑작스럽게 차체 뒤편으로 빠져나가게 되면 일단 원하는 다운포스의 발생 위치를 제대로 잡을 수 없는 것은 물론이고, 더욱 심각한 문제는 갑작스럽게 유체가 물체와 박리 되면서 차체 뒤편으로 멀어지지 않고 오히려 역류하여 차체 앞쪽으로 진행 방향을 바꾼다. 가장 단편적인 예로 해치백의 뒷 창문에 와이퍼를 달아둔 이유가 바로 그것 때문인데, 뒤편이 갑자기 탁 소리와 함께 사라지기 때문에 상부의 공기와 하부의 공기가 서로 자연스럽게 결합되지 못하고 가운데 진공 공간으로 밀려들어 가면서 차체 바닥에 있는 먼지나 대기 중의 먼지를 죄다 끌고 올라간다. 그래서 SUV나 해치백의 경우 유독 뒷유리창이 빨리 더러워지곤 하는데, 대기 오염이 심한 날에 고속도로를 달리면 리어범퍼 쪽이 지저분해진다는 걸 확인할 수 있는데, 이도 비슷한 현상이다. 일반 차량의 경우는 이렇지만, 레이스카라면 리어 다운포스 공기의 역류로 인해 흐트러지면서 리어 그립이 굉장히 불안정해지는 현상이 일어난다. 그래서 디퓨저를 적당히 기울여서 부착하는 것은 갑작스럽게 물체와 유리가 박리되는 현상을 최소화 하기위함이다. 서서히 정상 압력 상태로 되돌려 상부에서 흘러나온 공기와 자연스럽게 만나 뒤로 뿌려지게 만든다. 쉽게 말해 차체 뒤편에서 일어나는 각종 와류로 인한 저항을 최소화할 목적으로 디퓨저를 설치하는 것이다.[5]
사례
F1에서 디퓨저는 꽤나 까다롭게 단속되는 장치 중 하나이다. 레이스카의 전체 다운포스, 특히 리어 다운포스에 막대한 영향을 미친다. 실제로 바닥 면에서 발생되는 다운포스의 50% 가량이 바로 디퓨저에서 나온다고 해도 과언이 아닌데 그렇기에 공력 장치에 엄격한 제재를 가하고 있는 FIA에서 디퓨저 역시 아주 까다롭게 검사를 한다. 스쿠르티니어링에 들어가면 반드시 규격화된 자를 가지고 디퓨저의 폭과 높이를 잰다. 하지만 이렇게 엄격하게 체크를 해도 다양한 사례가 발견되는데, 2009년 F1을 떠들썩하게 했던 더블 덱 디퓨저이다. 2008년에서 2009년으로 넘어오면서 차량 규정이 대대적으로 바뀌었는데 프론트 윙은 다시 넓어지고, 타이어는 슬릭으로 교체되었으며, 따라서 더 커진 타이어 그립이 있었으므로 리어 다운포스는 제한하려는 목적으로 디퓨저의 폭과 높이를 줄였다. 그러다 보니 방사되는 공기의 양이 줄어들면서 충분한 석션 효과를 누리기 어려워진 것도 있지만, 압력을 정상 상태로 되돌리는 구간이 줄어든 관계로 리어 쪽에서 와류가 심하게 일어 저항이 발생하게 되었다. 하지만 여기서 폭과 측면의 높이만 있을 뿐 내부 면적과 가운데 영역의 높이 제한에 대한 이야기는 어디에도 없었고, 결국 브런 GP와 토요타, 윌리엄스가 이 구멍을 파고들었고, 이들이 고안한 것이 바로 디퓨저를 마치 두 겹을 겹친 것과 같은 디자인으로 바꾸는 것이었다. 이 방법을 사용해 공기를 방사하는 면적을 넓힐 수 있었고, 그로 인해 디퓨저 작전의 공기 압력을 다른 팀에 비해 더 낮출 수 있었다. 이 방법을 통해 코너에서 원하는 만큼의 리어 다운포스를 만들 수 있었고, 유체 박리 현상을 줄일 수 있었으므로, 저항역시 줄일 수 있었다. 결국 2009년 일찌감치 더블 덱 디퓨저를 개발했던 브런GP가 시즌 초반을 석권하면서 주인공이 되었다. 2011년에는 아드리안 뉴이의 블로운 디퓨저가 등장하는데. 이 블로운 디퓨저는 스로틀에서 발을 떼었을때 뭔가를 디퓨저로 불어 낸다는 뜻이다. 코너에서 배기가스를 강제로 배출시켜서 디퓨저로 향하게 한 다음 디퓨저로 흐르는 공기의 유속을 더욱더 빠르게 해 더 낮은 압력을 만들고 그로 인한 리어 다운포스를 더 얻어간다는 것이 이장치의 궁극적인 목표였다. FIA가 배기구 위치를 위로 올리라고 지시하면서 단속을 했으나 코안다 효과를 이용해 배기가스를 리어 엔드 쪽에 점착시키면서 꾸준하게 사용했다. 이 역시 마찬가지로 디퓨저에 배기가스를 흘려보내 유속을 빠르게 하면서 압력을 컨트롤 하는 공기 역학을 이용해 0.5초를 더 줄이려는 사례였다.[5]
각주
- ↑ 이동익 기자, 〈차의 공기저항을 책임진다! - 에어로 파츠〉, 《모토야》, 2016-12-06
- ↑ 도주해, 〈공기흐름 아이템 에어로파츠 쉽게 이해하기!〉, 《브런치》, 2017-06-10
- ↑ 3.0 3.1 3.2 휠라이프, 〈(디퓨저) -자동차의 에어로파츠-〉, 《네이버 포스트》, 2017-08-15
- ↑ 김정균 팀장, 〈바람을 분석한다, 에어로 파츠의 기능〉, 《카이즈유》, 2017-08-28
- ↑ 5.0 5.1 마요네즈, 〈레이스카의 디퓨저〉, 《네이버 블로그》, 2015-10-01
