에어포일과 윙

Airfoil and Wing

많은 사람들이 에어포일과 윙(날개)를 혼용하여 사용하고 있지만 이 둘은 다른 개념입니다. 에어포일은 윙의 단면을 가리키는 말이며 3차원이 아닌 2차원의 단면 형상입니다.

또한 에어포일은 2차원이기 때문에 무한한 길이를 가진 윙으로 생각할 수도 있습니다. 그래서 일정한 길이를 가지고 있는 윙과는 다른 개념이 됩니다. 공기는 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐르기 때문에 윙의 끝단에서는 압력이 높은 윙의 윗면에서 압력이 낮은 윙의 아랫면으로 공기가 흐르게 되고, 이로 인해 윙은 무한한 길이의 에어포일보다 저항이 높아지고 다운포스가 적어지면서 효율이 떨어지게 됩니다.

윙을 설계할 때에는 어떤 에어포일을 선택했느냐가 윙의 성능에 큰 영향을 미치므로, 윙이 어떤 상황에 어떤 용도로 사용될 지가 효율적인 에어포일을 선택하는 데 굉장히 중요합니다. 자동차의 경우 다운포스를 만들어 타이어의 접지력을 높이는 것이 되겠죠.

아래 그래프를 보면 에어포일의 선택에 따라 윙의 성능이 어떻게 달라질 지 알 수 있습니다. 물론 여러 가지를 고려해야 하겠지만, 쉽게 이해할 수 있도록 두 개의 다른 2차원의 에어포일(무한한 길이의 윙)의 계수(Coefficient) 그래프를 비교하여 어떻게 다른 성능을 보이는 지 알아보도록 하겠습니다.

Cl(Lift coefficient) vs Alpha(Angle of attack) 그래프를 보면, 노란색 그래프는 1.5정도의 최대 Cl 값을 가지면서 초록색 그래프보다 더 높은 최대 다운포스 값을 가질 것을 알 수 있습니다. 그러나 Cd(Drag coefficient) vs Alpha 그래프를 보면 Alpha가 약 3도에서 8도 사이일 때에는 녹색 그래프가 더 적은 저항을 보이고 있습니다. 이는 Cl vs Cd 그래프를 보면 더 확연히 나타나는데, 세로축의 Cl 값이 약 0.3~1.2 사이일 때 녹색 그래프의 Cd 값이 더 낮은 것을 알 수 있습니다. Cl/Cd vs Alpha 그래프를 보더라도 초록색 그래프가 훨씬 더 높은 효율을 보이고 있음을 알 수 있습니다.

만약에 긴 직선 코스가 대부분이고 코너의 영향이 적은 레이스에서는 초록색 그래프의 에어포일을 선택하는 게 유리할 수도 있고 다운포스가 훨씬 중요한 트랙에서 어쩌면 노란색 에어포일을 선택해야 하는 경우가 있을 수도 있겠습니다. 에어포일의 선택에서는 이런 단순한 에어포일간의 비교 외에도 차의 마력과 트랙의 형상, 레이스 규정에 허용되는 날개의 크기 등 다른 변수들을 모두 고려해야 하므로 최선의 에어포일을 선택하는 데에는 사전에 많은 정보들이 필요한 것입니다. 또한 윙의 span 방향으로 각각 다른 에어포일을 사용할 수도 있고 각도를 변화시킬 수도 있기 때문에 많은 테스트가 필요하게 됩니다.

Prior to the installation of an airfoil on any high-performance vehicle, the owner must take into consideration the Angle-Of-Attack (AOA), shape, size, and intended position of the air stream on the airfoil at speed. The realization of all of these factors will better adjust the resulting aerodynamic device to the race vehicle.

A 3-Dimensional airfoil is what is commonly referred to as a ‘wing’ throughout the automotive industry. The traditional wing used in top-tier racecar applications also lends itself very well to a multitude of motorsport disciplines. The aforementioned AOA plays a significant role in the performance of a 3D airfoil. By varying the AOA at the ends of the wing facing the sides of the vehicle, air is siphoned over the body and funneled more efficiently over the back of the vehicle. You may also want to use different airfoil throughout the wing.

streamline center of a car

 

Here, the wing sees a downwash flow at this angle—but the amount of downwash is not constant throughout the width of the wing. The picture above shows the streamline near the center of the car. Let’s see another streamline near the side of the car.

As you can see, the wing now sees a very different angle of the airflow coming towards it. And if you still remember how much Cl differs as the AOA changes (it only takes 15 degrees of AOA for the yellow airfoil to go from almost 0 to the maximum Cl), you will notice how the downforce intensity would change as the incoming airflow also changes for that specific section of the wing.

As you can see, the downwash and slipstream positions depend on the body shape of the car—so carefully designed wings for a specific car would have a much higher chance of working better than a general ‘3D wing’ designed for completely different incoming airflow.