부가티나 코닉세그 등 여러 하이퍼카 시장에서의 점유율은 여러 가지 요인에 의해서 결정되겠지만 자동차 기술의 완성을 보여주는 것 중의 하나인 공기저항계수는 정확한 실험과 검증의 과정을 통하여 획득하며, 수치들은 400km의 속력을 만들어내며 한 단계 업그레이드합니다.
하이퍼카
기술
하이퍼카 기술, 유체역학의 한 분야인 CFD( Computational Fluid Dynamics )
CFD 기술, 수치 분석
Computational Fluid Dynamics (CFD)은 유체 역학의 한 분야로,
유체 흐름과 열전달 현상의 수치적 분석과 시뮬레이션에 초점을 맞춘다.
CFD는 컴퓨터 알고리즘과 수학적 모델을 사용하여 유체 운동을 기술하는 방정식들을 해결함으로써 복잡한 흐름 현상에 대한 이해를 돕는다. 또한 이는 탄소섬유 소재로 만든 부드러운 차체 곡선으로 처리하여 한층 더 개선된 속력을 돕는다.
방정식
Navier-Stokes 방정식 사용
CFD의 근본 원리는 Navier-Stokes 방정식에 근거한다.
이러한 방정식은 대부분의 실제 문제에 대해 해석적으로 풀릴 수 없는 미분 방정식이다.
따라서 CFD는 수치적인 방법을 사용하여 기본 방정식들을 이산화(discretization)된 대수적 형태로 변환하고, 컴퓨터를 사용하여 이를 해결한다.
이산화는 지역 존재 실체 그룹을 구별 단위로 나누는 작업인데 이것은 특히 컴퓨터에서 직접적으로 표현이 어려운 연속적인 현상들 가지고 작업할 때 중요하게 사용되는 과정이다.
CFD 분석 과정의 단계
CFD 분석 과정은 여러 단계로 진행된다.
먼저, 문제 영역의 기하학적 모형이 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어에서 생성되거나 가져온다.
그런 다음, 기하학적 모형은 그리드나 메시라고 하는 작은 계산 셀 또는 부피로 나눈다.
이러한 셀들은 계산이 수행되는 이산화 된 제어 볼륨으로 사용된다.
그다음으로 경계 조건이 지정된다.
경계 조건은 유입/유출 속도, 온도, 압력 값 등과 같은 실제 제약 조건을 나타내며, 벽면 조건인 비마찰 또는 대칭 경계 등도 포함될 수 있다.
초기 조건도 정의할 수 있으며, 특정 상태에서 시뮬레이션을 시작할 수 있다. 그리드 생성과 경계 조건 설정이 완료되면 순환 시간 내에서 반복적으로 이산화 된 방정식들을 해결하기 위해 숫자 알고리즘이 적용된다. 정상 상태 솔루션이 도출되거나 일시적인 시뮬레이션에서 지정된 수렴 기준이 충족될 때까지 반복 계산이 진행된다.
시뮬레이션을 통한 정보 제공
CFD 시뮬레이션은 다양한 유체 행동 측면에 관한 가치 있는 정보를 제공할 수 있다
속도 분포:
CFD는 서로 다른 작동 상황에서 속도 프로파일과 흐름 패턴 등을 계산하여 유체가 주어진 시스템 내에서 어떻게 움직일지 예측할 수 있다.
압력 분포:
시스템 내부의 표면에서 발생하는 압력 그래디언트를 결정하여 고압 영역 또는 압력 강하가 발생하는 지역 등을 파악할 수 있다.
온도 분포:
CFD 시뮬레이션은 전도, 대류(유체 흐름), 및 복사와 같은 열전달 메커니즘으로 인해 시스템 전반에 걸친 온도 변화를 추정할 수 있다.
난류 효과:
난류 흐름은 여러 공학 응용분야에서 중요한 역할을 한다;
CFD 모델링에 있어서 난류 모델(Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) or Large Eddy Simulation (LES))등 여러 가지 난류 모델들 활용합니다.
그리고 여러 분석과 흐름을 사용하여 정확한 마지막 수치를 계산해 냅니다.
Multi-phase Flows ( 다상 흐름 )
Heat Transfer Analysis ( 열전달 분석 )
Combustion Analysis ( 연소 분석법 )
하이퍼카 제조와 유체역학 사용의 중요성
하이퍼카는 최고의 성능, 가장 첨단의 기술, 그리고 가장 뛰어난 디자인을 갖춘 자동차를 말합니다.
이러한 차량은 종종 300km/h 이상의 극도로 높은 속도로 운전될 수 있기 때문에, 유체 역학은 하이퍼카 제조에 있어서 매우 중요한 역할을 합니다.
유체 역학은 차량의 공력학적 특성을 결정하는데 필수적입니다. 공력학적 특성은 차량의 성능, 연료 효율성, 안정성 및 주행감 등에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 적절한 유체 역학 설계는 공기 저항을 줄여 속도를 증가시키고 연료 효율성을 개선할 수 있습니다.
특히 하이퍼카에서는 다운 포스라는 개념이 중요합니다. 다운 포스란 차량이 빠르게 움직일 때 발생하는 수직 하중으로서, 타이어와 도로 사이의 마찰력을 증가시켜 주행 안정성과 핸들링 성능을 개선합니다.
다운 포스는 주로 스포일러와 디퓨저 같은 공력학적 장치를 통해 생성되며, 이들 장치의 설계와 배치는 유체 역학 원리에 근거합니다. 또한 유체 역학은 냉각 시스템 설계에도 중요한 역할을 합니다.
하이퍼카에서 발생하는 대량의 열 에너지를 관리하기 위해 효과적인 냉각 시스템이 필요하며, 이러한 시스템은 대부분 액체 쿨란트를 사용하여 작동합니다. 쿨란트가 어떻게 순환되고 분산되는지 결정하는 것은 유체역학 문제입니다. 더 나아가서 최근 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 발전으로 배터리 냉각이 중요한 이슈가 되었습니다.
배터리는 과열되면 성능이 저하되거나 안전 문제가 발생할 수 있기 때문에, 효과적인 배터리 냉각 시스템을 설계하는 것이 필수적입니다. 이것 역시 유체 역학 원리를 사용하여 해결해야 하는 문제입니다.
유체 역학은 또한 차량의 내부 환경, 즉 HVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning) 시스템 설계에도 중요합니다. 이러한 시스템은 승객의 편안함과 안전성을 보장하며, 그 작동 원리는 대기 내에서 공기의 흐름과 열전달에 관련된 유체 역학 개념에 근거합니다.
결론적으로 말하면, 유체 역학은 하이퍼카 제조에서 핵심적인 요소입니다.
차량의 성능 최적화, 연료 효율성 개선, 주행 안정성 보장 등을 위해 공력학적 디자인과 냉각 시스템 설계 등 다양한 분야에서 유체 역학 원리를 활용합니다. 하이퍼카 제조사들은 지속적으로 최신 유체역학 연구와 기술을 적용하여 차량의 성능을 개선하고 경쟁력을 강화해 나가고 있습니다.