레이싱 공기역학,다운포스란.

공기역학은 공기를 통해 움직이는 물체를 연구하는 과학입니다. 공기는 압축 가능한 유체로 간주되기 때문에 유체 역학과 밀접한 관련이 있습니다. 오늘날 공기역학은 포뮬러 원 자동차 성능에서 가장 중요한 요소입니다. 현재 엔진 변경이나 기타 기계 부품 개발로 얻을 수 있는 거의 유일한 이점으로 인해 성능 향상의 유일한 측면 중 하나가 되었습니다. 이러한 하강력은 중량의 실질적인 증가에 비유되어 자동차를 도로로 누르고 자동차와 도로 사이의 가용 마찰력을 증가시켜 더 높은 코너링 속도를 가능하게 합니다.

게다가, 포뮬러 원 팀은 자동차의 항공 효율을 개발할 수 있는 가장 큰 자원을 가지고 있기 때문에, 여기서 가장 큰 노력을 기울입니다. F1 팀은 그들의 디자인을 검증하고 개선하기 위해 타의 추종을 불허하는 CFD 컴퓨팅 능력과 적어도 하나의 상시 날개 터널을 가지고 있습니다.

기본 공기역학 방법과 공식은 간단히 해결할 수 있지만, 다른 특성은 경험적 공식으로 검증할 수 있습니다. 그러나 비행기나 경주용 자동차와 같은 더 복잡한 모양은 정확하게 계산하는 것이 불가능하므로 계산 유체 동적 시스템(슈퍼 컴퓨터의 CFD 응용 프로그램)과 풍동은 설계를 검증하는 데 절대적인 요건이 됩니다.

공식 F1에서의 응용 프로그램

F1(그리고 일반적으로 모든 날개 달린 경주용 자동차)은 전방과 후방 날개가 무게 중심의 반대쪽에 있고 둘 다 같은 방향으로 "강력하게 들어올리고" 이 경우 다운포스를 생성한다는 점에서 카나드 구성으로 간주될 수 있습니다.

관람자의 관점에서 자동차는 (적어도) 전방 날개, 자동차 차체 및 후방 날개의 세 부분으로 고려될 수 있습니다. 각 부품은 최소한의 항력으로 요구되는 다운포스에 최적화될 수 있습니다. 그러나 실질적으로 모든 부품은 자동차의 거동에 영향을 미치므로 개별 부품으로 간주될 수 없습니다. 그 결과 어떤 요소도 개별적으로 테스트되지 않고 항상 자동차의 완전한 규모 모델입니다.

완전한 경주용 자동차는 매우 복잡한 시스템이기 때문에, 엔지니어 팀은 보통 자동차를 단계적으로 진화시키고, 특정한 아이템을 개발하고 자동차에 미치는 영향을 확인합니다. 그런 전체적인 효과는 Amdahl의 법칙으로 계산될 수 있습니다:



다음은 개선할 수 있는 시스템의 분율(이 분율이 자동차 항력의 5%를 생성한 후 0.05인 경우)이며, 이 분율에 대한 개선 인자(뉴턴에서의 항력 분할 및 해당 요소를 개선한 후 새로운 항력)이며, 달성할 전체적인 개선입니다.

그것의 개선을 확인한 후에, 자동차의 효율이 결정되고 그것이 어디에 유용한지 보기 위해 다른 트랙에서 시뮬레이션됩니다. 그 유용성은 항상
항력 감소 또는 다운포스 증가의 결과입니다.

Drag

항력은 공기(또는 다른 유체)를 통해 움직이는 물체의 속도와 반대인 공기역학적 힘입니다. 크기는 공기와 고체 물체 사이의 속도 차이에 비례합니다. 따라서 공기가 정적 물체 주변에서 움직이고 있는지 또는 물체가 정적 공기를 통해 속도로 움직이고 있는지는 중요하지 않습니다.

항력은 다양한 형태로 나타나는데, 그 중 하나는 주변의 공기 분자에 대한 고체 분자의 마찰의 결과인 마찰 항력입니다. 마찰과 항력은 유체와 고체 특성 모두에 의존합니다. 예를 들어 고체의 매끄러운 표면은 거친 표면에 비해 피부 마찰력이 적게 발생합니다. 유체의 경우 마찰력은 점도와 함께 변화하며 레이놀즈 수로 표현되는 흐름의 운동에 대한 점성력의 상대적인 크기입니다. 고체 표면을 따라 낮은 에너지 흐름의 경계층이 생성되고 피부 마찰력의 크기는 경계층의 조건에 따라 달라집니다.

게다가, 항력은 고체의 이동 물체에 대한 공기로부터의 저항의 한 형태입니다. 이러한 항력의 형태는 날개의 특정한 형태에 의존하기 때문에 형태 항력이라고 불립니다. 공기가 물체 주변을 흐르면 국소적인 속도와 압력이 변화하여 효과적으로 힘을 만듭니다.

반면에 간섭 항력 또는 유도 항력은 고체 물체 뒤에서 발생하는 소용돌이의 결과입니다. 날개 주위의 공기 방향 변화로 인해 공기 흐름이 변하지 않고 직선 흐름과 만나는 소용돌이가 생성됩니다. 소용돌이의 크기와 그에 따라 항력 강도는 에어로포일의 공격 각도가 증가함에 따라 증가합니다. 가능한 항력 감소의 주요 원천으로 포뮬러 원 팀은 날개에 엔드 플레이트를 추가하거나 서스펜션 암에 필렛을 사용하여 이 항력에 대응하려고 합니다.

다른 드래그 소스로는 웨이브 드래그와 램 드래그가 있습니다. 첫 번째는 움직이는 물체가 소리의 속도까지 속도를 올릴 때 발생하기 때문에 일반 경주용 자동차에 중요하지 않습니다. 반면 램 드래그는 공기 주입구에서와 같이 자유 공기 흐름을 느리게 한 결과입니다.

특정 물체가 공기 흐름에서 생성하는 항력의 양은 항력 계수로 정량됩니다. 이 계수는 동적 압력과 면적의 곱에 의해 생성되는 힘에 대한 항력의 비율을 나타냅니다. 따라서 1의 a는 물체에 흐르는 모든 공기가 정지됨을 의미하는 반면 이론적 0은 완벽하게 깨끗한 공기 흐름입니다.

비교적 빠른 속도, 즉 레이놀즈 수()에서 공기역학적 항력은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다:



여기서 항력(뉴턴 단위), 공기의 밀도, 유체에 대한 물체의 속도(m/s 단위), 기준 표면 및 항력 계수는 다음과 같습니다. 마이너스 부호와 결과 항력이 물체의 움직임과 반대임을 나타내는 벡터를 주목하십시오.

Downforce

모터스포츠의 에어로포일은 종종 항공기 날개를 언급하며 날개라고 불립니다. 사실 그들은 매우 비슷합니다. F1 날개와 윙렛은 높은 공격 각도를 가짐으로써 높은 다운포스를 생성하여 에어로포일의 항력을 증가시키는 것을 목표로 합니다.

항공공기역학이 현재의 모습으로 진화하는 것은 주로 몇몇 유명한 과학자들의 현명한 연구 덕분입니다. 1686년에 아이작 뉴턴 경은 그의 세 가지 운동 법칙을 제시했는데, 그 중 하나는 에너지 보존입니다. 그는 에너지가 한 종류에서 다른 종류로 변환될 수 있지만 닫힌 계에서는 일정하다고 말했습니다. 그 이론에서 다니엘 베르누이는 꾸준히 흐르는 유체 시스템의 총 에너지가 유로를 따라 상수라는 것을 증명하는 공식을 추론했습니다. 그러므로 유체 속도의 증가는 압력의 감소와 일치해야 합니다. 압력 변화와 전신 주변의 면적을 합한 것이 신체에 대한 공기역학적 힘을 결정합니다.

에어로포일의 작동은 공기의 꾸준한 층류 흐름에서 날개를 고려할 때 쉽게 설명될 수 있습니다. 공기는 기체이므로 분자는 자유롭게 움직일 수 있고 공기 흐름의 다른 위치에서 다른 속도를 가질 수 있습니다. 다운포스 생성 에어로포일은 대부분 하부에서 더 두꺼운 두께로 설계되어 있기 때문에 하부 공기 흐름은 표면에서 약간 감소하므로 흐름 속도가 증가하고 압력이 감소합니다. 날개 위에서는 공기 속도가 낮으므로 압력 차이가 날개에 하강력을 생성합니다. 또한 뉴턴의 운동 제3법칙에 따라 다운포스 날개는 결코 직선이 아니며 공기 흐름의 새로운 회전을 유도합니다. 더 구체적으로 날개의 모양은 공기를 위로 회전시키고 속도를 변화시킵니다. 이러한 속도는 몸에 알짜 힘을 만듭니다.

이것은 힘이 속도의 변화를 일으키거나 속도의 변화가 힘을 발생시킨다는 것을 보여줍니다. 속도는 속도와 방향 성분을 가진 벡터 단위입니다. 따라서 이들 구성 요소 중 하나를 바꾸려면 힘을 가해야 합니다. 그리고 만약 속도나 흐름의 방향이 바뀌면 힘이 발생합니다.

유체의 회전은 분자들이 자유롭게 움직이기 때문에 고체와 접촉하기 때문에 일어난다는 것을 주목하는 것이 매우 중요합니다. 고체의 어떤 부분도 흐름을 꺾을 수 있습니다. 마주 오는 흐름을 마주하는 부분은 바람을 향한다고 하고 흐름을 마주하는 부분은 바람을 향한다고 합니다. 그리고 흐름을 향하는 부분은 바람을 향한다고 합니다. 바람을 향하는 부분과 바람을 향하는 부분은 모두 흐름을 꺾습니다. 바람을 꺾는 방향을 무시하는 것입니다.

NASA의 Foilsim 툴킷을 사용하여 간단한 에어로포일 주변의 공기 흐름을 시뮬레이션할 수 있습니다.

그러나 다운포스는 종종 "균등 통과 시간" 또는 "더 긴 경로" 이론에 의해 설명되며, 에어로포일 앞에서 갈라진 입자들이 그 뒤에서 함께 결합할 것이라고 말합니다. 하지만 실제로 날개 위와 아래의 공기 입자들의 속도 차이는 이 이론에서 예상되는 것보다 훨씬 큽니다.

이러한 단순화된 버전이 승강력 생성의 기본이지만, 현실은 단순화되기 어렵고 고출력 컴퓨터 시스템을 필요로 하는 복잡한 연구입니다. 가스의 경우, 우리는 흐름 속의 질량, 운동량 및 에너지를 동시에 보존해야 합니다. 따라서, 기체의 속도가 원래의 변화에 수직인 방향으로 변화하는 결과를 초래합니다. (공기의 효과를 무시하는) 이러한 오일러 방정식을 근사화한 후에 이러한 오일러 방정식을 기반으로 합니다.

복잡성 때문에 오늘날의 Formula One 차량은 CFD(계산 유체 역학) 및 CAD(컴퓨터 보조 설계)로 설계되어 엔지니어가 차량을 설계하고 트랙션, 풍속 및 방향 등의 환경 매개 변수를 통합하여 차량 주위의 공기 흐름을 즉시 시뮬레이션할 수 있습니다.