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풍동시험
풍동시험(風洞試驗, wind tunnel test)은 물체의 공기역학 성능을 평가하는 테스트이다.
개요[편집]
풍동시험은 공기 중을 운동하는 물체의 공기저항, 양력(揚力), 횡풍(楊風)의 영향 등을 조사하기 위한 시험으로서, 풍동(風洞)에 의하여 실물 또는 모형을 테스트한다.[1] 풍동은 원드터널이라고도 하며 실험을 위해 바람(Wind)을 발생시키는 장비로 소규모부터 대형에 이르기까지 다양하며 풍동시험은 쉽게 말하면 선풍기와 같은 장치로 바람을 불어주어 공기의 흐름을 파악하고 역학적으로 분석하는 시험이다.[2]
풍동시험은 주요하게 공기와의 저항이 이루어지는 제품의 효율과 성능을 개선하는데 적용한다. 최초 비행기에 적용되었으며 효율과 성능은 항공기, 우주선뿐만 아니라 모든 제품에게 매우 중요한 측면이다. 최소한의 개선을 위해서라도, 이를 위해 엔지니어들은 자재와 구조를 물리적 한계에 이르기까지 시험한다. 현재 차량, 철도, 건축 심지어 스포츠 장비에 대해서도 적용되고 있으며 다양한 유동 조건에 따른 공기역학적 특성을 이해하고 최적화하는 것이 매우 중요하다. 여기에서는 최고의 정확성과 정밀도가 가장 중요하다.
실제로 시험은 PC에서부터 시작한다. 이러한 컴퓨터 시뮬레이션은 원하는 결과의 달성을 위해서는 필수 사항이다. 공기역학적 측면에서, 유한체적법(FVM)에 따라 구축된 모델은 전산유체역학(CFD)을 토대로 다양한 시험 조건을 시뮬레이션 한다.
그러나 시뮬레이션으로는 모든 경우를 효율적으로 시험할 수 없다. 신뢰성과 데이터 무결성 강화를 위해, 시뮬레이션 결과는 물리적 시험으로 검증해야 한다. 물리적인 시험은 대부분 시험장에서 이루어진다.
힘, 모멘트, 응력, 가속도, 압력, 온도 등 물리적 수치를 완전 동기화된 방식으로 측정될 필요가 있으므로 고정밀 센서뿐만 아니라 고성능 DAQ 시스템과 소프트웨어도 필요하다.[3]
자동차 관련해서는 국내에 현대자동차, 르노삼성자동차, 한국GM 등 메이커에서 관련 기술을 보유한 것으로 알려져 있으며 현재 최첨단 기술로써 시험 및 평가 방법 등 관련된 자료는 아직 찾아볼 수 없다.
자동차 풍동시험[편집]
배경[편집]
자동차는 교통 이동수단인 만큼 도로를 빠른 속도로 질주하면서 공기와의 불가피한 저항이 발생하게 되는데 저항은 면적이 늘어날수록 이에 비례해 커진다. 공기 저항은 보통 속도 증가분의 제곱에 비례해 증가하는데, 시속 20km로 달리던 자동차가 시속 40km로 두 배 빨라지면 공기저항은 네 배가 늘어난다. 이렇게 높아진 저항을 뚫고 속도를 높이기 위해서는 더 많은 에너지가 소모된다. 거꾸로 생각해 같은 자동차에서 공기저항을 줄일 수 있다면 더 적은 힘으로도 같은 속도를 낼 수 있다는 말이다.
자동차 업체는 신차를 발표할 때마다 공기저항계수(Cd)를 대폭 낮췄다고 강조한다. 공기저항을 수치로 표현한 것이 공기저항계수(Coeffient of drag)이다. 0~1 사이 수치를 갖는 공기저항계수는 수치가 낮을수록 연비, 최고 속도, 접지력 등을 높일 수 있다.
공기 저항을 낮추려면 높이가 낮을수록 좋다. 전면과 측면부의 디자인이 공기에 거스르지 않고 공기에 순응하는 것도 중요하다.
포드와 닛산 등은 공기 저항 계수를 줄이고자 액티브 그릴 셔터를 채택했다. 액티브 그릴 셔터는 연비를 향상시키려 공기 저항 계수를 줄이기 위한 전면 그릴을 열고 닫는 것을 말한다. 효율적 엔진 냉각 시스템 구성까지 더해 엔진 냉각과 차량 그릴을 이용한 공기역학을 향상시켜 연료 소모를 줄이는 기술이다.
포드는 라디에이터 그릴 개폐부와 엔진 라디에이터 사이 90°로 회전하는 수평 날개를 적용해 라디에이터로 향하는 공기 흐름을 단속한다. 엔진 제어 모듈에 의해 개폐는 최적 엔진 온도 및 공기역학을 위해 자동으로 제어하고 엔진 냉각이 필요 없을 시 셔터를 닫아 공기 유속을 빠르게 한다. 전동 날개 시스템을 회전시켜 기류를 차단함으로써 공기저항력을 최대 6% 줄인다. 연료 절감 효과를 거두는 것도 물론이다.[4]
풍동시험장[편집]
이런 공기저항을 줄이기 위하여 우선 역학적으로 분석하기 위하여 진행하는 시험이 풍동시험이며 주요하게 풍동시험장에서 진행된다.
현대자동차가 4백50억 원을 들여 남양연구소에 건설한 풍동(wind tunnel) 시험장이 1999년 7월 20일에 완공돼 가동에 들어갔다. 자동차 풍동시험장은 폐쇄된 터널 내의 대형 송풍기로 바람을 일으켜 차량의 공기저항과 소음을 측정, 연비와 방음효과를 개선하는 데 사용된다.[5]
풍동시험장은 공력 소음도 매우 중요하기 때문에 메아리가 울리지 않도록 모두 흡음재로 마감되어 있다. 전방에는 커다란 노즐부가 있고, 바닥에는 저울과 지면 제어장치 등으로 구성된다.
현대 기아차가 선보인 풍동시험장은 450억 원에 달할 정도로 세계에서 자동차를 연구하는 단지에서도 몇 없는 고가의 시설이다. 50억 원짜리 고성능 저울은 차량 위에 볼펜만 올려놔도 이를 감지할 수 있을 정도로 매우 민감하며, 3차원으로 무게를 측정할 수 있다. 또 최근에는 타이어 주변의 유동을 개선하기 위해서 지면 제어장치를 새롭게 업그레이드했는데, 이 비용은 무려 100억 원이 투자됐다고 기아차 관계자는 설명했다.
저울 정면으로는 커다란 노즐부가 있는데, 이 면적은 28제곱 미터, 즉 8.4평이 넘는다. 여기서 바람이 나와 차량의 공기역학을 측정하게 된다. 바람은 보통 60~180km/h 정도의 속도로 측정하며, 최대 200km/h까지의 강력한 바람을 생성할 수 있다.
테스트[편집]
테스트는 현대, 기아차에서 생산하는 차량을 비롯해 국내외 경쟁 차량까지 모두 테스트한다. 이로 인해 경쟁사의 장점을 벤치마킹해서 흡수하기도 한다. 테스트 차량은 소형차부터 트럭까지 가능하며, 버스의 경우에는 2 대 1로 축소한 모델로 진행한다.
흰색 스모그가 자동차의 표면을 잘 따라 흘러가면 그만큼 잘 개발된 것이다. 니로는 공기역학을 굉장히 신경 쓴 모델이어서 기존 SUV들을 훨씬 뛰어넘는 수준으로 개발됐다.
이와 함께 기아차 관계자는 “공기저항이 10% 절감되면, 고속연비는 6%가 개선된다. 얼마 전까지 유가상승으로 풍동시험이 굉장히 중요했는데, 연비는 여전히 중요하기 때문에 앞으로도 중요한 시험이 될 것으로 전망된다”라고 말했다.[6]
시험의 효과[편집]
최신 자동차는 공기 저항을 이겨내는 것은 물론, 공기 흐름을 조절해 원하는 성능을 끌어내는 수준에 도달했다. 가령 제네시스 G80의 트렁크 리드는 위로 살짝 솟은 ‘킥업’ 스타일로, 리어 스포일러와 비슷한 역할을 맡아 공력 및 주행 안정성을 개선한다. G80는 보이지 않는 부분에도 공기역학 개선을 위한 치밀한 노력을 담았다. 전면 범퍼 양쪽에 자리한 휠 에어커튼의 경우 휠 하우스에서 발생하는 와류를 최대한 줄여준다. 자동차 공기저항의 25%가 휠 주변부에서 생기는 만큼, 주변의 공기 흐름을 정리해 공기 저항을 줄이고 주행 안정성을 높인 것이다.
바람의 흐름을 원하는 대로 다루기 위해서는 차체 하부도 매끈하게 다듬어야 한다. 바람이 부딪히는 곳이 없도록 해야 한다. 그래서 G80의 하부에는 언더커버가 빈틈없이 적용되어 있다. 심지어 서스펜션 아래까지 언더커버를 달아 바람이 걸리지 않고 흐르도록 했다. 공기가 차 바닥을 빠르게 빠져나오면 차체 뒤쪽의 공기 흐름이 정돈된다.
2022년 7월 6일에 현대자동차는 '아이오닉 6'이 지금까지 출시한 현대차 역대 모델 중 최저 공력계수인 CD(Drag Coefficient) 0.21을 달성했다고 밝혔는데 거액의 자금을 들인 풍동시험장이 한몫한 것으로 보인다.[7][8]
동영상[편집]
각주[편집]
- ↑ 〈풍동 시험〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈윈드터널〉, 《항공위키》
- ↑ 〈윈드 터널 테스트〉, 《HBM》
- ↑ 문보경 기자, 〈공기저항을 낮춰라〉, 《전자신문》, 2016-05-12
- ↑ 김용준 기자, 〈현대자동차 풍동시험장 가동 대형송풍기로 바람 일으켜〉, 《한경닷컴》, 1999-07-20
- ↑ 양봉수 기자, 〈남양연구소의 450억 원짜리 풍동시험장 둘러보니〉, 《오토트리뷴》, 2016-03-19
- ↑ 〈자동차, 바람을 다스려 성능과 효율을 개선하다〉, 《현대자동차그룹》, 2022-05-04
- ↑ 김상우 전문위원, 〈아이오닉6, 현존 전기차 중 공기저항 가장 낮아 __ 1등〉, 《조세일보》, 2022-07-06
참고자료[편집]
- 〈풍동 시험〉, 《네이버 지식백과》
- 〈윈드터널〉, 《항공위키》
- 〈윈드 터널 테스트〉, 《HBM》
- 문보경 기자, 〈공기저항을 낮춰라〉, 《전자신문》, 2016-05-12
- 김용준 기자, 〈현대자동차 풍동시험장 가동 대형송풍기로 바람 일으켜〉, 《한경닷컴》, 1999-07-20
- 양봉수 기자, 〈남양연구소의 450억 원짜리 풍동시험장 둘러보니〉, 《오토트리뷴》, 2016-03-19
- 〈자동차, 바람을 다스려 성능과 효율을 개선하다〉, 《현대자동차그룹》, 2022-05-04
- 김상우 전문위원, 〈아이오닉6, 현존 전기차 중 공기저항 가장 낮아 __ 1등〉, 《조세일보》, 2022-07-06
같이 보기[편집]
