풍동에서의 검출 작업

아우디 공기음향 풍동의 팬을 봤을 때 가장 먼저 눈에 띄는 것은 풍동 회전자에 있는 20개의 날개깃 끝부분과 콘크리트 덮개 사이의 간격입니다. 몇 센티미터인 것을 보면 당혹감을 느끼게 됩니다. 정밀도가 부족해서인가요? 아우디의 공기역학 및 공기음향 개발 책임자인 모니 이슬람(Moni Islam) 박사는 이렇게 말하면서 안심시킵니다. “팬이 2.720kW의 최대 출력으로 작동하면 원심력으로 인해 알루미늄 코팅 날개깃이 늘어나 이 간격이 거의 완전히 닫힙니다.”

그러면 모두가 풍동을 떠나야 합니다. 테스트 구획에는 최대 300km/h의 풍속을 발생시키는 힘이 생성됩니다. ”폭 5미터짜리 팬의 날개깃 20개가 천천히 회전하기 시작합니다. 소용돌이치는 공기 흐름은 먼저 팬 하류의 고정자에 있는 유도 날개 27개에 의해 안정됩니다. 그런 다음, 공기는 두 모퉁이를 돌며 특별히 설계된 선회 날개에 의해 테스트 구획으로 이동하면서 균등하게 분배됩니다. 날개 하류의 그리드는 모퉁이와 팬 근처에서 불가피한 대규모 난류를 분산시킵니다. 다음으로, 공기는 벌집형 층을 통과하여 똑바른 흐름을 만들고 하류의 큰 침전조로 들어갑니다. 그런 다음, 정확히 원하는 속도로 아우디 RS e-트론 GT에 도달하기 전에 5.5의 수축비로 노즐을 통해 가속됩니다.

차량의 공기역학적 힘을 측정하는 정밀 저울 위에 차량이 서 있습니다. 바퀴는 네 개의 작은 벨트 위에 있습니다. 자동차 아래의 넓은 벨트는 차량 주변의 도로 움직임을 모든 주행 속도로 시뮬레이션합니다. 또한 차량 앞쪽 바닥에 있는 조정 가능한 고정밀 다공판은 공기 흐름이 자동차에 도달하기 전에 공기 흐름의 일부(소위 경계층)를 추출합니다. 공기역학자들은 이 디자인을 ‘풀 그라운드 시뮬레이션’이라고 합니다. 이 시뮬레이션으로 차량 주위의 현실적인 공기 흐름이 보장됩니다. 그런데 이러한 말이 복잡하게 들린다면 그건 정말로 그렇기 때문입니다.

완벽한 공기 흐름을 달성하기 위해 기울이는 노력

아우디 RS e-트론 GT1의 공기역학 및 공기음향을 담당한 개발 엔지니어인 켄타로 젠스(Kentaro Zens) 박사는 이렇게 말합니다. “도로에서 차량은 공기를 가르며 움직입니다. 여기 풍동에서는 정반대입니다. 차량은 정지되어 있습니다. 우리는 차량 주위로 공기를 최대한 균등하게 보냅니다. 우리는 모든 노력을 다합니다. 공기 흐름이 차량과 정확하게 상호작용할 때만 신뢰할 수 있는 정확한 측정 결과를 얻을 수 있습니다.”

젠스는 작업자가 풍동을 조정하는 제어 패널 옆의 워크스테이션에 앉아 있습니다. 그는 화면에서 모든 관련 데이터를 읽을 수 있습니다. 항력 계수란 무엇이고, 전방 액슬 리프트는 얼마나 높으며, 후방 액슬 리프트는 얼마나 높고, 풍속과 벨트 속도는 얼마인가?

그 옆에는 차량 프로젝트 공기역학 및 공기음향 개발 책임자인 토마스 레덴바흐(Thomas Redenbach)가 서 있습니다. “풍동 센터의 문을 열었을 때 이 센터는 공기역학을 위한 실제 도로 조건의 그라운드 시뮬레이션과 극도로 조용한 공기음향 기능을 결합한 전 세계 최초의 자동차 풍동이었습니다.”

현재 풍동은 최대 주 6일 오전 7시부터 오후 10시 30분까지 2교대로 운영됩니다. 그리고 입법자들이 WLTP(World Harmonized Light-Duty Vehicles Test Procedure) 인증을 도입했을 때 인증을 받기 위해 풍동의 용량이 최대한 활용되었습니다. 모니 이슬람은 이렇게 말합니다. “이 풍동의 복잡성으로 인해 수년 동안 매일 풍동을 운영해 온 자매 부서의 전폭적인 헌신과 기술적 전문 지식이 필요했습니다. 당시 우리는 WLTP 값의 증거로 인증된 풍동 데이터를 입법자에게 제출해야 했기 때문에 풍동 운영 동료들이 하루 23시간 동안 테스트를 했습니다.”

풍동을 대체할 수 없는 시뮬레이션

그럼에도 불구하고 컴퓨터 시뮬레이션은 공기역학적 개발에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. CFD (Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 통해 컴퓨터에서 공기 흐름을 재현하여 흐름 패턴을 분석하고 시각화할 수 있습니다. 그렇다면 풍동에서 시간과 비용이 많이 드는 작업을 하는 이유는 무엇인가요? 토마스 레덴바흐는 이렇게 말합니다. “풍동은 우리의 일상적인 도구이며, 풍동에서 시뮬레이션 결과를 검증할 수도 있습니다. 우리는 계속해서 시뮬레이션을 개발하고 싶습니다. 그런데 시뮬레이션이 유효하고 정확한지 확인하기 위해 테스트 결과와 비교하여 계산을 점검해야 합니다.”

그렇지만 컴퓨터 시뮬레이션은 점점 더 좋아지고 있으며 점점 더 중요해지고 있습니다. 켄타로 젠스는 이렇게 말합니다. “아우디 RS e-트론 GT를 사용하여 우리는 900만 CPU 시간이 넘는 유난히 많은 양의 시뮬레이션 작업을 수행했습니다. 저는 풍동에서 이 차량과 함께 150시간을 보냈는데, 이는 전혀 많은 시간이 아닙니다. 비교를 위해 말하자면 아우디 R8의 경우 600시간이었습니다.” 이런 시간 단축은 아우디 RS e-트론 GT1 디자인의 품질을 시사할 뿐만 아니라 개발 프로세스가 상당히 단축되었음을 보여줍니다. 아우디는 미래 모델에서도 이러한 길을 가려고 합니다.

모니 이슬람은 이렇게 덧붙입니다. “풍동과 CFD는 공기역학자를 위한 상호 보완적인 두 도구입니다. 풍동은 매우 정확하고 빠르기 때문에 우리는 역학 개발 프로세스에서 매우 효율적으로 작업할 수 있습니다. 시뮬레이션은 우리에게 믿기 어려울 정도의 정보량을 제공하지만, 모델 준비 및 결과 분석 측면에서 어느 정도의 작업이 필요합니다. 이 두 도구 중 하나만으로는 최첨단 공기역학 개발이 불가능할 것입니다.”

주행 거리 측면에서 잠재력 활용

아우디 RS e-트론 GT와 같은 전기 자동차의 경우 전체 패키지는 공기역학 측면에서 이점을 제공합니다. 폐쇄형 차체 하부를 예로 들 수 있습니다. 그러나 모니 이슬람의 부서에 있는 31명의 뛰어난 공기역학적 차량 개발 직원들이 직면하는 과제는 점점 커지고 있습니다. 그는 자신들의 목표를 이렇게 정의합니다. “우리가 항력 계수를 개선할 수 있는 모든 요소는 주행 거리를 늘립니다.”

공기역학자들은 민감도를 나타내는 시뮬레이션 결과를 통해 차량의 이러한 잠재력을 식별합니다. 이 형태의 X 지점에서 형상을 약간 변경하면 이는 공기 흐름에 얼마나 영향을 주나요? 그리고 이슬람은 작업을 시작하면서 이렇게 설명합니다. “공기를 볼 수 없기 때문에 공기역학은 꼼꼼한 검출 작업이기도 합니다. 풍동의 저울이 전달하는 값을 기반으로 분석적 접근 방식을 사용하여 문제의 범위를 좁히려고 해야 합니다.”

이를 위해 엔지니어들은 신속한 프로토타입 제작 기술로 생성된 다양한 추가 부품을 사용하여 작업합니다. 처음에는 CAD 디자인을 생성하여 전면 에이프런의 공기 흡입구와 같은 구성 요소의 형상을 정의합니다. 그런 다음, 모델 관리 팀의 동료들은 이 고급 기술을 사용하여 원하는 변형 (여러 개가 있을 수 있음)을 테스트 구성 요소로 변환합니다. 그 후에는 차량 모델에서 구성 요소의 다양한 변형을 순차적으로 테스트합니다. 측정을 통해 항력 및 양력 계수를 얻은 다음, 이러한 결과를 정확히 동일한 구성의 CFD 시뮬레이션과 선택적으로 비교하여 시뮬레이션 결과가 유효한지 확인합니다.

모든 항력 계수 개선 사항에 대한 검출 작업

토마스 레덴바흐는 풍동에서의 검출 작업을 설명하며 “20%의 시간 안에 차량 공기역학의 80%를 개발할 수 있습니다. 하지만 우리는 공기역학의 마지막 20%에 엄청난 양의 시간을 투자합니다. 아주 작은 여러 최적화 단계에서 항력 계수 개선 사항을 알아내려고 애씁니다.”라고 말합니다. “최고 품질의 결과를 얻으려면 디테일에 상당히 신경쓰고 주의를 기울여야 합니다.”

그렇다면 아우디 RS e-트론 GT를 담당한 공기역학 전문가들이 이 그란 투리스모에서 공기 흐름과 관련하여 가장 어려웠던 디테일은 무엇이었나요? 켄타로 젠스는 잠시 생각합니다. “서로 연결된 네 개의 덕트 구성 요소가 있는 전면 에이프런입니다. 공기가 흡입구로 유입되고 내부의 셔터가 닫히면 이때부터 문제가 시작됩니다. 공기가 여기저기 모든 곳으로 빠져나갈 수 있는데, 그것을 원치 않기 때문입니다. 여기에서 공기 흐름을 계속 제어하고 정밀하게 미세 조정하는 것이 매우 중요합니다. 차량 안전, 부품 엔지니어링, 생산, 조립 부문의 동료들이 모두 저와 협력해야 하기 때문에 광범위한 팀 작업입니다.”

젠스는 휠 아치와 상호작용하는 소위 에어 커튼의 디자인에 대해서도 구체적으로 언급합니다. “우리는 매주 아우디 디자이너들과 긴밀하게 조정했습니다. 그 결과, 전면부에서 에어 커튼 주위의 측면으로 최적의 공기역학적 전환이 이루어졌으며, 조정된 내용은 일관성 있는 테마로 전체 디자인에도 완벽하게 들어맞습니다. 아우디 RS e-트론 GT와 관련된 모든 요소에는 기능과 목적이 있습니다. 이런 점에서 저는 이 차량의 진정한 기능성을 정말로 좋아합니다.”

그가 중요하게 생각하는 또 다른 예는 바로 테일라이트에 통합된 날카로운 엣지입니다. “아우디 RS e-트론 GT1의 후면에는 특히 뚜렷한 3차원 형태로 인해 복잡한 와류가 있습니다. 이 주위의 공기 흐름을 깔끔하게 유도하는 것은 어려운 일입니다. 시뮬레이션에서 우리는 테일라이트 주변에 아직 개선의 여지가 있다는 것을 확인했습니다.”

다행스럽게도 이 테스트 중에는 아우디의 라이트 디자인 책임자인 시저 문타다(César Muntada)도 풍동에 있었습니다. 그는 점토 모델에서 테일라이트의 움푹 들어간 부분에 약간 바깥쪽으로 향하는 곡선을 신속하게 모델링했는데, 이 곡선은 현재 양산 차량에서 정확히 동일한 형태로 나타납니다. 이러한 수정을 통해 디자이너와 공기역학자는 공기 흐름이 안쪽으로 회전하고 새로운 와류를 생성하는 대신 제어된 방식으로 후면에서 분리되도록 할 수 있었습니다 (항력 계수에 큰 영향을 줄 수 있음). 켄타로 젠스는 “공기역학에서 우리는 디자인을 용이하게 하는 것을 목표로 합니다.”라고 이번 협업에 대해 설명합니다. 그리고 여기에는 풍동에서의 꼼꼼한 검출 작업도 포함됩니다.