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디퓨저
디퓨저(Diffuser)는 속도를 희생시켜 흐르는 유체의 정압을 상승시키는 장치를 말한다.
개요
자동차 주행 시에는 자동차 주위로 흐르는 공기의 작용으로 인해 여러 힘이 작용한다. 그 중 자동차가 뜨지 않고 도로에 붙이는데 쓰이는 다운포스(Downforce)는 드래그포스(Dragforce)와는 기본 원리는 비슷하지만, 조금 다른 개념이다.이 개념을 단순히 말하자면 다음과 같다. 드래그포스가 자동차의 앞.뒤 압력차에 의한 힘이라면, 다운포스는 위.아래의 압력차에 의한 힘이라 할 수 있다. 이러한 위 아래에 작용하는 압력중 아랫면의 압력을 조절함에 있어서 디퓨저의 개념이 등장한다. 저공해차에 사용되게 된 디퓨저는 배기 파이프 말단의 바깥쪽에 설치되어 있으며, 고온의 배기가스에 외기를 혼입해서, 열을 확산시키고 온도를 내리는 것이 목적이다.이 경우는 확산기의 의미이다.터보차저에 있어서도 압축기 하우징부에 디퓨저가 있다.이 디퓨저의 역할은 임펠러에 공기가 주는 운동 에너지를 효율성 있는 압력으로 변환시켜 가는 것이다.효율성이 나쁜 디퓨저이면 압력이 변환될 때 압축에 의한 온도 상승 이상으로 공기 온도가 상승한다.
원리
디퓨저, 자동차 실내의 방향제를 말하는 것은 절대 아니다. 영어로는 ‘Diffuser’즉, ‘확산기’라는 의미이다. 이런 유체 역학적인 디퓨저의 원리에 대해 쉽게 알아보면, 먼저, 유체(공기)가 어떠한 길(혹은 관)을 따라서 유동할 때, 유동 단면적과 유동 속도와의 관계가있다. 한 흐름의 유동에 대해서는 단면적과 속도는 반비례의 성향을 갖는다고 말할 수 있다. 물론 밀도, 온도 등과 같은 여러가지 변수들이 있지만, 단면적과 속도가 반비례의 관계라는 것에는 변함이 없다. 즉, 한 흐름의 유동이 좁은 곳을 지나면 빠르게, 넓은 곳을 지나면 느리게 흐른다는 것이다. 앞에서 유동 단면적과 속도와의 관계에 대해 알아보았다. 이제 ‘확산’이라는 원리에 대해서 이해해보자. 기본적으로 확산은 단면적을 크게하여 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 리어 디퓨저는 상대적으로 지면과 차량 바닥사이의 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 갖게하는 리어 디퓨저 때문에 속도가 급격히 줄어들고 높은 압력을 갖게 된다.리어 디퓨저가 유동 단면적을 급격히 넓혀주면, 유동 속도가 줄어들게 되고, 압력이 높아지게 된다. 여기서 차량 바닥의 유동과 리어 디퓨저에서의 유동과의 압력차가 커질수록, 자동차 바닥면의 유동은 진공에 가까운 저압을 형성할 수 있는 것이다. 그렇다면, 차량 바닥면의 빠른 속도를 필요로하는 레이싱 경기와 같은 곳에서는 차량이 코스를 이탈하지 않도록 하고, 접지력을 높이는 다운포스의 역할은 매우 중요하다. 이 다운포스는 자동차 윗면과 바닥면 사이의 압력차에 의한 힘이라고 할 수 있다. 따라서 디퓨저를 통해 차량 바닥면에 저압이 형성되면, 다운포스가 아주 효과적으로 증가하게 된다. 디퓨저의 또 다른 역할은 다음과 같다. 자동차 바닥면에서 매우 빠르게 흐르던 공기는 유동면적을 넓히는 디퓨저를 통해 느린 출구 속도를 가지게 된다. 이렇게 출구 속도를 느리게 컨트롤 함으로써, 자동차 바닥면에서 매우 빠르게 흐르던 공기는 대기중으로 비교적 부드럽게 합류하여, 난류 발생을 억제 할 수 있다. 또한 디퓨저에서 디바이더라고 불리는 칸막이가 있다. 이 칸막이의 역할 또한 심한 소용돌이 발생을 방지하여, 불규칙적인 유동인 난류의 균형과 억제에 그 목적이 있다. 앞서 말한 것처럼 디퓨저는 다운포스를 발생시키고, 차량 후미에 난류가 발생하는 것을 억제시킨다. 또한 디퓨저는 자동차 앞,후면의 압력차에 의해 발생하는 드래그포스를 줄이는 역할도 한다. 차량 주변에 발생한 난류와 같은 불규칙적인 유동을 컨트롤 함으로써 차량 후미의 저압영역을 개선할 수 있다. 차량 뒤의 저압영역이 개선되면 차량 앞,뒤의 압력차가 줄어들고, 결과적으로 드래그포스는 줄어든다.
특징
일반적으로 덕트형(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 각도(자동차 디퓨저는 7도 훨씬 이상도 가능함)의자율성에 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 발생될 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 한가지 간단한 실험을 통해서도 알 수 있다. 물과 숟가락만 있으면 손쉽게 할 수 있으니 직접해보자. 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, 공기역할을 하는 물을 흘려 보내서 공기 유동처럼 유사하게 만든다. 마지막으로 디퓨저 역할을 하는 숟가락을 물에 가져다 대면, 마법처럼 달라 붙을 것이다. 이는 숟가락의 형태가 아크릴판과 숟가락 사이에 저압을 만들고 압력 차이를 형성시키는 디퓨저의 역할을 했기 때문이다.
