Aerodynamic Influence Over Leading and Pursuing Motorcycles Equipped With Downforce-Generation Wings

본 연구는 수치 시뮬레이션을 통해 선두 오토바이의 공기역학적 날개가 양력과 휠리 경향을 변화시켜 추종 오토바이를 독립적으로 그리고 크게 불안정하게 만드는 난류 후류와 일관된 와류를 생성함을 입증하였으며, 이는 안전성을 향상시키기 위해 경쟁 주관 기관이 이러한 다운포스를 생성하는 부속품의 사용을 금지하는 방안을 고려해야 함을 시사한다.

핵심

두 명의 오토바이 레이서가 고속도로에서 나란히 질주하는 상황을 상상해 보십시오. 앞선 사람은 "리더 (Leader)"이고, 추격하는 사람은 "추격자 (Chaser)"입니다. 수십 년간 레이서들은 추격자가 리더의 바로 뒤로 몸을 숙여 들어가면 무료 탑승 효과를 얻는다는 것을 알고 있었습니다. 리더가 공기를 밀어내며 뒤쪽에 저압의 "기포"나 슬립스트림을 생성하기 때문입니다. 추격자는 이 기포 안에 앉아 공기 저항을 덜 받으며, 더 빠르게 이동하고 에너지를 덜 소모하게 됩니다. 이는 거대한 보트의 뒤따라 흐르는 물결 (wake) 속에서 헤엄치는 것과 같습니다. 물이 잔잔해져서 힘들이지 않고 미끄러져 갈 수 있기 때문입니다.

그러나 본 논문은 현대적인 변주를 탐구합니다: 리더의 오토바이가 트랙에 대한 그립을 향상시키기 위해 바이크를 아래로 누르는 (레이싱 카의 작은 날개와 유사한) 날개를 장착했을 때 어떤 일이 발생하는 것일까요?

보이지 않는 줄다리기

연구진은 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이러한 날개가 추격자를 위한 공기를 어떻게 변화시키는지 관찰했습니다. 그들은 날개가 리더 뒤쪽에 기존 오토바이의 단순한 슬립스트림과는 다르게 작용하는 두 가지 뚜렷한 "기상 패턴"을 생성한다는 사실을 발견했습니다:

1. 난기류의 뒤따라 흐르는 물결 (기존 방식): 날개가 없더라도 오토바이는 뒤쪽에 messy(지저분하고) 혼란스러운 공기의 흔적을 남깁니다. 이것이 추격자가 더 빠르게 이동하도록 돕는 고전적인 슬립스트림입니다.
2. 날개 끝 와류 (새로운 방식): 리더의 날개는 제트 엔진의 연기처럼 뒤로 길게 이어지는 강력하고 회전하는 공기 튜브 (와류) 를 생성합니다. 이들은 조직화되어 있고 강력하며 지속적입니다.

"상승기류" 대 "하강기류"

논문은 추격자의 경험이 이 회전하는 공기 튜브에 대한 상대적인 위치에 전적으로 달려 있다고 설명합니다.

• "상승기류" 함정 (위험 구역): 추격자가 리더의 바로 뒤, 날개와 정렬된 위치에 있으면 "상승기류"에 직면하게 됩니다. 마치 공기를 위로 불어내는 거대한 팬 아래에 서 있는 것과 같습니다. 이 위로 밀어 올리는 힘은 추격자 오토바이의 앞바퀴를 들어 올립니다. 레이싱에서 앞바퀴가 들리는 것은 나쁜 일입니다. 이는 바이크를 가볍고 불안정하게 느끼게 하며, 강하게 제동하는 데 필요한 그립을 감소시킵니다. 논문은 이러한 날개에 의해 생성된 와류가 실제로 유용한 "슬립스트림" 효과를 상쇄하여, 추격자가 제동력을 잃는 것처럼 느끼게 만든다고 밝혔습니다.
• "하강기류" 혜택 (안전 구역): 추격자가 약간 옆으로 이동하면 (측면 오프셋), 와류의 바깥쪽 가장자리에서 "하강기류"를 잡을 수 있습니다. 이는 공기를 아래로 불어내는 팬 아래에 서 있는 것과 같습니다. 이는 추격자의 앞바퀴를 도로에 단단히 눌러 그립과 안정성을 증가시킵니다. 이 특정 위치에서 리더의 날개는 실제로 추격자가 바닥에 붙어 있도록 돕습니다.

"유령" 효과

가장 놀라운 발견 중 하나는 이러한 날개에 의해 생성된 공기 패턴이 단순히 사라지지 않는다는 것입니다. 그들은 하류로 멀리 이동합니다. 추격자가 오토바이 몇 대 길이만큼 뒤쳐져 있더라도, 이러한 조직화된 와류는 여전히 존재하여 바이크의 거동에 영향을 미칩니다. 이들은 바이크를 아래로 누르거나 (제동에 유리함) 위로 들어 올리는 (제동에 불리함) 보이지 않는 손처럼 작용하며, 레이서들 사이의 거리가 얼마나 떨어져 있든 관계없이 영향을 줍니다.

현실 세계의 결과

저자들은 이를 실제 레이싱 사고와 연결합니다. 그들은 한 라이더가 다른 라이더를 추월하려다 제동하려 할 때 앞바퀴가 들려 올라와 멈출 수 없었던 특정 충돌 사례를 언급합니다. 논문은 추격자가 리더의 날개에 의해 생성된 "상승기류" 구역에서 주행하여 제동하는 데 필요한 다운포스 (그립) 를 빼앗겼기 때문에 이러한 일이 발생했다고 제안합니다.

결론

논문은 이러한 날개가 리더의 바이크를 더 빠르고 안정적으로 만들지만, 추격하는 사람에게는 "위험한 기상 시스템"을 생성한다고 결론 내립니다. 날개가 달린 바이크 뒤의 공기는 더 이상 단순한 유용한 슬립스트림이 아닙니다. 그것은 바이크를 갑자기 불안정하게 만들 수 있는 유용하고 해로운 힘의 복잡한 혼합물입니다.

저자들은 레이싱 주최 측이 규칙을 재고해야 할 필요가 있다고 제안합니다. 그들은 현재 디자인이 추격하는 라이더들을 위한 예측 불가능한 공기역학적 함정을 만들기 때문에, 날개를 더 작게 만들거나 완전히 제거하여 레이싱을 더 안전하게 해야 할지도 모른다고 제안합니다. 그들은 이 기술이 성능을 향상시키지만, 스포츠를 필요 이상으로 더 위험하게 만드는 숨겨진 위험을 도입한다고 주장합니다.

기술 요약

기술 요약: 다운포스를 생성하는 날개를 장착한 선행 및 추종 오토바이에 대한 공기역학적 영향

문제 제기
제동 성능과 코너링 안정성을 향상시키기 위해 다운포스를 생성하도록 설계된 전방 날개와 같은 공기역학적 부속품의 통합은 현대 오토바이 레이싱 (예: MotoGP 및 WSBK) 의 표준 기능이 되었습니다. 그러나 이러한 날개를 장착한 선행 오토바이와 추종 오토바이 간의 공기역학적 상호작용은 여전히 잘 이해되지 않고 있습니다. 표준 난류 후류의 '드래프팅 (drafting)' 효과 (항력 감소) 는 잘 문서화되어 있지만, 다운포스 장치에 의해 생성된 일관된 날개 끝 와류의 존재는 복잡한 유동 역학을 도입합니다. 다루는 핵심 문제는 이러한 특정 유동 구조 (상향류 및 하향류 속도 성분을 특징으로 함) 가 추종 오토바이의 안정성, 양력, 항력 및 피칭 모멘트에 어떻게 영향을 미쳐 추월 기동이나 그룹 레이싱 중 위험한 상황을 초래할 수 있는지입니다.

방법론
본 연구는 공기역학적 환경을 시뮬레이션하기 위해 Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 접근법을 사용하는 전산 유체 역학 (CFD) 을 활용합니다.

• 수치적 프레임워크: 시뮬레이션은 유한 체적법 (Finite Volume Method) 을 사용하여 OpenFOAM (v2112) 으로 수행되었습니다. 난류는 $k$-$\omega$ 전단 응력 수송 (SST) 모델로 모델링되었습니다.
• 기하학적 구조: 기본 기하학적 구조는 거울, 신호등과 같은 도로 주행 가능 기능을 제거하고 몸을 숙인 라이더를 포함하도록 수정된 야마하 YZF-R1 양산 스포츠 바이크입니다. 다운포스 생성 장치를 시뮬레이션하기 위해 전방 페어링에 -40° 받음각을 가진 단순화된 날개 프로파일 (Selig-1223 익형) 이 추가되었습니다.
• 시뮬레이션 사례: 종방향 (5cm7m) 과 횡방향 (0cm60cm) 의 상대적 위치 범위에 걸쳐 세 가지 주요 시나리오가 분석되었습니다.
  1. 사례 1: 선행 및 추종 오토바이 모두 날개가 없습니다.
  2. 사례 2: 선행 오토바이는 날개가 있고, 추종 오토바이는 날개가 없습니다.
  3. 사례 3: 두 오토바이 모두 날개가 장착되어 있습니다.
• 메쉬 및 수렴: 메쉬는 1,200 만 개에서 2,500 만 개의 제어 체적 범위를 가지며, 경계층과 후류 구조를 포착하기 위해 오토바이 주변에 정제 상자가 포함되었습니다. 수렴은 1,000 회에서 2,000 회 반복 후 달성되었으며, 공기역학적 계수 ($C_D$, $C_L$, $C_M$) 는 마지막 반복의 절반 동안 평균화되었습니다.
• 작동 조건: 시뮬레이션은 70m/s (252km/h) 의 속도에서 비압축성 유동을 가정하여 약 $6.99 \times 10^6$의 레이놀즈 수를 생성했습니다.

주요 결과
본 연구는 날개를 장착한 선행 차량의 공기역학적 영향이 일관된 날개 끝 와류의 지속성으로 인해 표준 블런트 바디 (blunt-body) 후류의 영향과 구별된다는 것을 보여줍니다.

• 사례 1 (날개 없음 - 날개 없음): 예상대로 추종 오토바이는 저압 난류 후류로 인해 항력, 양력 및 피칭 모멘트의 감소를 경험합니다. 이러한 감소는 추월을 용이하게 하고 휠리 (wheelie) 경향을 줄여 안정성을 향상시킵니다. 이러한 효과는 종방향 거리가 증가하고 횡방향 오프셋이 커짐에 따라 점근적으로 감소합니다.
• 사례 2 (날개 장착 선행, 날개 없음 추종): 선행 날개의 존재는 유동장을 크게 변화시킵니다.
  • 종방향 영향: 더 큰 종방향 거리에서 추종 오토바이는 날개가 없는 시나리오에 비해 증가된 양력과 피칭 모멘트를 경험합니다. 이는 선행 날개에서 하류로 운반되는 상향류 (upwash) 속도 성분으로 인해 추종 바이크의 유효 받음각이 증가하여 앞바퀴가 들리는 (휠리) 경향이 증가하고 안정성이 저해되기 때문입니다.
  • 횡방향 영향: 횡방향 위치는 중요합니다. 추종 바이크가 날개 끝 와류 코어와 정렬될 때 양력 계수는 부정적으로 (불리하게) 증가합니다. 그러나 특정 횡방향 오프셋 (약 25cm~60cm) 에서 하향류 (downwash) 성분이 지배적이 되어 양력과 휠리 경향을 줄여 안정성 이점을 제공합니다.
• 사례 3 (날개 장착 - 날개 장착): 두 바이크 모두 날개를 가지고 있을 때, 추종 날개의 성능은 선행 차량의 후류에 크게 영향을 받습니다.
  • 다운포스 손실: 추종 날개는 선행 차량과 근접할 때, 특히 상향류 성분으로 인해 다운포스 생성이 크게 감소합니다. 앞 타이어 하중의 이러한 손실은 레이싱 조건에서 제동 능력 감소의 주요 원인으로 확인되었습니다.
  • 항력 회복: 드래프팅으로 인해 항력은 감소하지만, 다운포스 손실은 일부 성능 이점을 무효화하여 바이크는 더 빠르지만 덜 안정적이고 제동이 어려운 "위험한 수행 상태"를 만듭니다.

의의 및 주장
본 논문은 다운포스 날개에 의해 생성된 일관된 와류 쌍이 난류 후류와 독립적으로 추종 오토바이에 영향을 미치며 모든 테스트된 상대적 거리에 걸쳐 지속된다고 주장합니다. 이는 드래프팅이 보편적으로 유익하다는 가정을 도전합니다. 날개가 장착된 오토바이의 맥락에서 후류는 추종 바이크의 안정성과 제동 성능을 능동적으로 저하시킬 수 있습니다.

저자들은 날개를 전체 차량 패키지에 통합하는 현재의 설계 철학이 안전 역설을 창출한다고 강조합니다. 즉, 날개는 선행 바이크의 성능을 향상시키지만 추종자에게 예측 불가능하고 잠재적으로 위험한 공기역학적 조건을 도입한다는 것입니다. 2023 년 발렌시아 레이스와 2024 년 호주 그랑프리 추락 사고와 같은 특정 레이싱 사고를 인용하여, 날개를 장착한 선행 차량의 후류에서 발생하는 공기역학적 다운포스 손실이 근접 충돌 및 충돌 상황의 원인 중 하나라고 제안합니다.

따라서 본 연구는 날개를 완전히 제거하는 것이 현재의 차량 역학을 방해할 수 있지만, 안전 조건을 개선하기 위해 오토바이 governing bodies(규제 기관) 가 허용되는 날개 기하학의 점진적 감소 또는 최종적 제거를 고려해야 한다고 결론 내립니다. 연구 결과에 따르면, 현재 공기역학적 부속품은 단일 차량 성능에는 유익하지만 레이싱 그룹의 안전 마진을 훼손합니다.