이 제조업체는 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 독특한 저항력(low-drag) 자동차를 설계하여 2014년 슈퍼 GT 시리즈에서 우승했습니다.

"필수 불가결한 도구"

Nissan Motorsports International(NISMO)은 레이스 트랙에서 30년 동안 탁월한 능력을 증명하는 데 그치지 않고 레이싱 속도를 더 높일 수 있는 방법을 모색하고 있습니다. 최근에는 CFD(전산 유체 역학)의 고유한 기능을 사용하여 NISMO의 공기역학 엔지니어가 개발 과정에서 에어로 패키지(Aero Package)를 개선하도록 지원했습니다. NISMO GT-R 장거리 투어링(GT) 자동차 개발 부문의 공기역학 수석 엔지니어인 Yoshitaka Yamamoto는 "CFD는 비가시적인 흐름 차원에 대한 가시성을 제공하는 것을 목표로 하는 개발에서 필수 불가결한 도구 역할을 한다"고 말합니다.

슈퍼 GT 시리즈

FIA(국제자동차연맹)가 승인한 레이스인 슈퍼 GT에서는 최고 수준의 레이싱 카테고리에는 GT500, 개인 카테고리에는 GT300(제조사의 후원을 받지 않는 참가자) 규정이 적용됩니다. GT500 클래스는 주로 일본의 3대 자동차 제조업체인 Nissan, Toyota 및 Honda와 그 계열사에서 개발 및 제조한 차량으로 구성됩니다. GT300 클래스는 주로 아마추어를 대상으로 하며, 참가 팀의 대다수는 일반 개인으로 구성되어 있습니다.

슈퍼 GT에서는 이러한 카테고리의 차량이 동일한 코스에서 경주하며, 속도 차이로 인해 훨씬 더 복잡하고 흥미진진한 레이싱이 연출됩니다. 자동차는 서킷을 질주하며 서로를 추월하기 위해 치열하게 경쟁하며 흥미진진한 경기를 펼칩니다. NISMO 팀은 이 두 가지 카테고리의 차량을 개발하고 생산합니다. NISMO가 명성을 쌓은 GT500 클래스 차량은 GT-R을 기반으로 합니다.

2013년, GT 규정은 DTM(독일 투어링카 마스터즈) 시리즈의 규정과 더욱 일치하게 되었으며, 이로 인해 2014 Nissan GT-R NISMO GT500의 새로운 메카니컬 및 공기역학적 변화를 촉발했습니다. 이를 개발하기 위해 PLM(제품 라이프사이클 관리) 전문 솔루션인 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter™ STAR-CCM+™ 소프트웨어를 사용했습니다.

풍동 테스트와 CFD를 병행하는 기존의 접근 방식으로 경주용 자동차를 개발할 때 축소 모델에서 풍동 테스트를 실행하고 지정된 지점의 압력 측정, 연기, 터프트(tuft), PIV(입자 영상 유속계) 및 기타 방법으로 이를 시각화합니다.

그러나 이러한 방법을 사용하면 공기역학적 흐름의 전체 영역을 시각화하기가 거의 불가능합니다. 한편 최근 CFD 소프트웨어, 하드웨어 및 컴퓨팅 기능이 발전함에 따라 엔지니어는 처음부터 고도로 상세한 CFD 모델로 완전한 경주용 자동차를 시뮬레이션하고 다른 방법으로는 실현할 수 없는 설계에 대한 더 깊은 인사이트를 얻을 수 있습니다. Simcenter STAR-CCM+를 사용하면 유체 흐름과 관련된 현상을 이해하는 데 상당히 기여하며, 실험으로 제공하기 어려운 수준의 상세 정보로 정보를 정확하게 표시하고 분석할 수 있습니다. 이를 통해 엔지니어는 풍동 세션 전에 가상으로 차량을 테스트하여 다양한 구성과 what-if 시나리오를 사전 평가하고 실현 가능성 높은 솔루션만 테스트할 수 있습니다. 따라서 Simcenter STAR-CCM+는 풍동 테스트를 보완하는 경주용 자동차의 설계 및 개발에 널리 사용됩니다. 컴퓨팅 리소스의 급속한 성장을 감안할 때 CFD는 CFD의 과학이 발전하고 컴퓨터 성능이 더욱 강력해짐에 따라 향후 몇 년 동안 물리적 테스트를 대체할 수 있는 디지털 풍동 역할을 할 가능성이 높습니다.

Yamamoto는 Simcenter STAR-CCM+의 기능과, 공기역학 개발에서 풍동 테스트와 비교하며 CFD의 이점에 대해 설명합니다. "예를 들어, 차량에 작은 부품을 부착할 때 풍동 테스트만으로는 이러한 부품이 후면에 미치는 영향, 특히 영향이 발생하는 위치와 다운포스(downforce)가 발생했는지 여부를 판단하기에 충분하지 않습니다. 그러나 Simcenter STAR-CCM+를 사용하면 흐름 거동에 대한 유용한 인사이트를 얻을 수 있습니다. 매년 GT 자동차의 복잡성이 갈수록 증가하고 있습니다. 복잡한 장치의 수도 증가하고 있어 경험에서 얻은 이점만으로 작업을 완료하기가 갈수록 어려워지고 있습니다. 이러한 문제를 Simcenter STAR-CCM+로 해결할 수 있습니다."

NISMO에 영감을 주는 CFD

경주용 자동차 개발의 모든 공기역학 엔지니어는 두 가지 사항에 집중하는데, 하나는 자동차 타이어가 트랙에서 추진하고 원심력으로 인해 코너를 돌 때 미끄러짐을 방지하는 다운포스를 생성하는 것이고, 다른 하나는 난류로 인해 차량 속도를 낮추는 항력을 최소화하는 것입니다. 운전 강도와 속도가 높아질수록 더 많은 저압 공기(더 빠른 속도)가 차량 아래로 들어가고 더 많은 다운포스가 생성됩니다.

반면에 속도가 증가하면 항력이 증가하는데 이는 바람직한 현상이 아닙니다. 일반적으로 최소한의 항력으로 최대 다운포스를 생성하는 것이 이상적인 설정입니다. 그러나 균형 잡힌 에어로 패키지를 형성할지 아니면 항력과 다운포스의 두 가지 힘 중 하나에 치중할 것인지에 대한 결정은 트랙과 조건에 따라 크게 달라집니다. 급회전이 있는 트랙에서는 회전을 실행하기 위해 더 높은 다운포스로 구성된 차량이 필요합니다. 그러나 긴 직선 도로와, 스피드웨이와 같이 넓고 걸림턱이 있는 회전 구간의 트랙에서는 다운포스 필요량이 감소합니다.

속도를 높이면 이를 절충할 수 있으므로 항력을 감소하는 것이 더 중요합니다. 2011년 NISMO에서 Yamamoto는 높은 속도를 더욱 높인 저항력 사양의 에어로 패키지 개발에 착수했으며, 그 이전에는 항력을 유지하면서 다운포스를 높이도록 모두 개선되었습니다. 저항력 사양을 선택한 이유 중 하나는 2012년 Fuji 스피드웨이에 맞게 특수 설계된 에어로 패키지를 준비하기 위함이었습니다. 직선 코스가 길기 때문에 항력을 줄여 랩 타임(lap time)을 크게 줄일 수 있습니다.

2013년 저항력 사양에 따라 프론트 펜더(front fender)는 가파른 벽의 라인을 따라 구성되었습니다(그림 1). 그 결과 차량의 전면 마스크가 매우 독특한 형태를 띠게 됩니다. Yamamoto의 팀은 항력 저하가 가능한 잠재적 영역을 찾기 위해 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 초기 CFD 시뮬레이션을 수행했으며, 2012년 이전 설계에 비해 펜더 섹션에 가해지는 압력이 낮음을 발견했습니다(그림 2). Yamamoto는 다음과 같이 설명합니다. "CFD 해석 결과, 프론트 펜더가 효과적으로 항력을 줄일 수 있는 영역이라는 것을 깨달았습니다. 해당 규정에 따라 그 영역을 확장하는 유일한 방법은 수직으로 넓히는 것뿐이었습니다. 이 방법을 실행한 결과 예상 대로 좋은 결과를 얻었습니다."

NISMO 팀은 그 전에 구성을 반올림하여 항력을 제거하려고 시도했지만 CFD를 기반으로 이러한 방식을 통해 모양을 간소화하지 않고도 항력을 줄일 수 있음을 알게 되었습니다. 그들은 2014년 모델에서 소위 '공기역학적 하네스 모듈레이션'이라는 접근 방식을 선보였습니다. 이는 CFD에서만 수행할 수 있는 압력 차이를 능숙하게 사용하여 성능을 높이는 방법을 의미합니다.

Yamamoto는 CFD의 새로운 성과에 대한 영향을 강조하면서 다음과 같이 말합니다. "풍동에서도 측정할 수 있지만 전체 차량에 대해 필요한 시각화는 실현하기 어렵습니다. CFD를 통해 차체 전체를 효과적으로 볼 수 있습니다."

CFD는 전체 설계 연속체에 대한 유용한 인사이트를 제공하여 Yamamoto 팀의 설계를 향상했지만 지금까지는 풍동 작업을 대체하는 것이 아니라 보조하는 역할로 사용되었습니다. 그는 다음과 같이 설명합니다. "여전히 개선의 여지가 있는 영역 중 하나는 앞쪽 부품의 영향을 견디는 부분을 평가하는 것입니다. 대표적인 예를 들자면, 여전히 타이어 웨이크(tire wake)에 대한 평가가 어려운 과제라고 생각합니다. 타이어 웨이크 외에도 리어 디퓨저(rear diffuser) 및 기타 역압 구배를 사용하여100% 만족스러운 결과를 얻지 못했습니다. 이러한 결과를 얻을 수 있다면 더 이상 풍동이 필요하지 않은 시대가 오리라 확신합니다."

모터스포츠를 통해 축적된 기술 적용

GT500 차량 개발 작업에는 핵심적인 다양한 기술을 모으는 작업이 포함됩니다. NISMO는 모터스포츠를 통해 축적된 노하우를 GT-R NISMO, JUKE NISMO, 기타 Nissan 고성능 차량과 같은 상업용 판매 자동차 개발에 집중적으로 사용하여 NISMO 자칭 고성능 브랜드로 거듭나고 있습니다.

"'NISMO'라는 이름을 가진 스포츠 지향 모델을 통해 개발 작업에 경주용 자동차 전문 지식을 적용하고 있으며, 이 차량의 핵심 판매 포인트는 고성능입니다." 라고 Yamamoto는 말합니다. "NISMO라는 이름의 모든 자동차는 NISMO 엔지니어가 공기역학 개발을 지원하여 제작된 것이며, 저도 작업에 직접 참여하고 있습니다."

2014년, 슈퍼 GT 차량 규정은 독일 투어링카 마스터즈(German Touring Car Masters)에 맞추어 대폭 개정되었습니다. 이러한 이유로 각각의 새로운 규정에 따라 개발 작업을 조정해야 했습니다.

Yamamoto는 다음과 같이 말합니다. "2014년에 DTM과 통합된 규정을 처음으로 사용해야 했기 때문에 다양한 규정 중 어떤 것이 GT 차량에 유리하고 불리한지 구분할 수 없었습니다." "오늘 그 점에 대해 전반적으로 세부 사항을 정리했습니다. 예를 들어, 외관 상부에 대한 노하우는 대체로 통일되어 있어 개정된 규정과 관련하여 차이가 없는 것으로 알고 있습니다."

리어 펜더 터닝 베인(Rear fender turning vane)의 일시적 출현

2012년 제2회 Fuji 레이스에 대한 규정에는 엔지니어가 리어 펜더의 설계를 자유롭게 조정하도록 명시되어 있습니다. 그 이후로 이는 모든 포뮬러(F) 1 레이스의 표준 척도가 되었습니다. 규칙 변경에 따라 NISMO는 리어 펜더에 날개 달린 단면이 장착된 터닝 베인을 부착했습니다(그림 5). Yamamoto에 따르면 주요 목표는 포뮬러 원(F1) 시리즈에서 선보일 수 있는 매력적인 디자인을 만드는 것이었습니다.

독특한 외관뿐만 아니라 리어 윙 성능에도 긍정적인 영향을 미쳤습니다. 그림 5(상단)에 나타낸 바와 같이 CFD 결과에서 프론트 펜더의 휠 아치 립에서 교란되는 공기 흐름이 리어 펜더와 트렁크 리드 상단 표면에서의 이탈을 완화하는 것을 보여주었습니다. 그림 5(하단)에 나타낸 바와 같이 리어 펜더 터닝 베인을 추가하면 흐름 패턴이 변경되고 트렁크 리드로 향하는 흐름 부착이 개선되었습니다. 이는 궁극적으로 항력을 줄이고 리어 윙의 효율성을 개선할 수 있습니다.

그러나 터닝 베인의 뒤집어진 날개 달린 단면 프로파일은 차량의 앞, 뒤 및 중앙 근처의 특정 위치에서 양력을 생성한다는 점에 주목할 만합니다. 따라서 터닝 베인은 다운포스를 개선하지 못했습니다. 그러나 공기역학 팀은 항력을 줄여 리어 펜더의 전반적인 성능을 향상했기 때문에 추가로 승인했습니다. 그러나 GTA(그랜드 투어링 협회)와 같은 관할 당국은 새로 장착된 터닝 베인을 다르게 해석했습니다. 규칙에는 하나의 날개만 명시되어 있었지만 GTA는 리어 펜더 터닝 베인을 두 번째 날개로 간주했습니다. 그래서 공개 검사중에 불과 10분만에 설치되고 보류되었다는 기억만 남아 있습니다.

최고 수준의 경쟁

NISMO는 2014년 시리즈의 챔피언이 되었습니다. NISMO의 공기역학 엔지니어는 Simcenter STAR-CCM+ 결과와 풍동 테스트 간의 시너지 효과를 사용하여 최적의 저항력 사양에 도달했습니다. NISMO의 경주용 자동차 개발자들은 Simcenter STAR-CCM+를 개발 프로세스에서 필수 불가결한 도구로 계속 사용하고 있는데, 그 이유는 Simcenter STAR-CCM+가 정확한 사전 평가, 실제 크기 모델에 대한 심층적인 인사이트 및 최대한 많은 구성을 평가할 수 있는 기능을 제공하기 때문입니다.

NISMO는 이 기사에 대해 인터뷰한 이후 르망 24시 레이스(Le Mans 24 Hours Race)에 참가할 계획을 발표하여 차량 개발에서 CFD의 필요성이 더 커졌습니다. 따라서 NISMO는 다시 한 번 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 최고 수준의 스포츠 대회에서 경쟁할 것입니다.