CFD Evaluation of Roof Fairing and Rear Tail Plate Add-Ons for Bus Aerodynamics

도로 위에서 버스는 공기의 바다를 밀고 나가는 거대하고 뭉툭한 물체입니다. 버스가 움직일 때 공기는 단순히 옆으로 미끄러져 지나가는 것이 아니라, 전면부를 압박하고, 상단을 타고 급격히 흐르며, 후면에 남겨진 빈 공간을 채우기 위해 고군분로합니다. 이러한 투쟁은 공기 저항(aerodynamic drag)이라는 힘을 만들어내며, 이는 마치 차량을 뒤로 잡아당기는 보이지 않는 손처럼 작용합니다. 계속 움직이기 위해서 엔진은 더 열심히 작동해야 하며, 이는 더 많은 연료를 태우고 대기 중으로 더 많은 이산화탄소를 배출하게 만듭니다. 수십 명의 승객을 태우는 버스와 같은 대형 차량의 경우, 이 저항은 경제적 측면과 환경적 영향 모두에서 주요한 비용이 됩니다. 세계 여러 지역, 특히 에티오피아에서는 트럭 섀시에 승객용 차체를 부착하여 버스를 제작하는 경우가 빈번합니다. 실용적인 방법이긴 하지만, 이 방식은 종종 바람을 가르는 데 매우 취약한 상자형의 직사각형 형태를 초래합니다. 공기는 평평한 전면에 부딪혀 정체되고, 차량 후면에서는 난류의 소용돌이를 일으키며, 운동에 사용될 수 있었던 에너지를 낭비합니다.

연구자들은 이러한 형상을 매끄럽게 만드는 것이 도움이 된다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 수영 선수가 물속에서 저항을 줄이기 위해 매끄러운 수영모를 쓰는 것처럼, 차량에도 공기를 더 부드럽게 유도하는 장치를 장착할 수 있습니다. 본 연구는 에티오피아에서 흔히 사용되는 특정 버스 모델에 초점을 맞추어 다음과 같은 간단한 질문을 던졌습니다. 버스의 지붕과 후면에 간단한 부착물을 추가하는 것만으로 항력을 유의미하게 낮출 수 있을까? 연구팀은 이러한 아이디어들을 실제 도로에서 테스트하는 대신 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용했습니다. 그들은 디지털 버전의 버스를 구축하고 이를 가상 풍동(virtual wind tunnel) 안에 배치했는데, 이곳은 수학적 공간으로서 다양한 속도에서 차량 주변을 흐르는 공기를 관찰할 수 있는 곳입니다. 컴퓨터를 통해 버스의 형상을 변경함으로써—지붕에 곡선형 부품을 추가하고 후면에 평판을 설치함으로써—공기가 얼마나 더 쉽게 통과할 수 있게 되었는지 정확하게 측정할 수 있었습니다.

연구진은 두 가지 주요 유형의 부착물을 테스트했습니다. 첫 번째는 버스 상단에 장착된 곡선 구조물인 루프 페어링(roof fairing)으로, 이는 비행기 날개의 형상, 구체적으로는 NACA 0012 에어포일의 절반 모양을 모방한 것입니다. 두로 두 번째는 버스 뒷면에 약간의 각도로 부착된 평평한 테일 플레이트(rear tail plate)로, 차량을 지나간 공기가 더 매끄럽게 다시 합쳐지도록 설계되었습니다. 연구팀은 이 장치들을 다양한 크기와 각도로 시도하며 시속 60, 80, 100km의 속도에서 시뮬레이션을 수행했습니다. 목표는 가장 적은 항력을 생성하여 버스를 움직이는 데 필요한 연료를 최소화할 수 있는 특정 조합을 찾는 것이었습니다.

결과는 두 가지 추가물 모두 효과가 있었으나, 하나가 분명히 우수하다는 것을 보여주었습니다. 루프 페어링이 가장 효과적인 도구임이 입증되었습니다. 연구진이 0.5미터의 특정 길이를 가진 루프 페어링을 설치하고 버스의 전면을 약간 재설계했을 때, 항력이 극적으로 감소했습니다. 시속 60km에서 항력은 거의 28% 감소했습니다. 버스가 시속 100km로 속도를 높였을 때, 감소 폭은 약간 더 커져 거의 29%에 달했습니다. 테일 플레이트 또한 도움이 되었지만 그 효과는 더 작았습니다. 최적의 구성에서도 최고 속도에서 약 25%의 항력 감소만을 달성했습니다. 시뮬레이션 결과, 루프 페어링은 공기가 뭉툭한 표면에서 분리될 때 발생하는 혼란스러운 소용돌이를 방지함으로써 공기를 버스 상단에 더 오랫동안 붙어 있게 만드는 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다.

이러한 항력 감소는 실제 세계의 절감으로 직결됩니다. 버스가 받는 저항이 줄어들기 때문에 엔진이 덜 힘들게 작동해도 됩니다. 연구팀은 최적의 루프 페어링 설정을 갖춘 버스가 시속 100km로 주행할 때, 개조되지 않은 표준 버스에 비해 시간당 거의 10리터의 연료를 절약할 수 있다고 계산했습니다. 시속 60km의 낮은 속도에서도 시간당 2리터 이상의 유의미한 절감이 나타났습니다. 버스가 하루 8시간 운행한다고 가정할 때, 일 년 동안 이러한 절감액은 수천 리터의 디젤로 쌓이게 됩니다. 이러한 연료 사용량의 감소는 이산화탄소 배출량의 상당한 감소를 의미합니다. 루프 페어링을 사용하는 단 한 대의 버스만으로도, 고속 주행 시 연간 60톤 이상의 이산화탄소 배출을 방지할 수 있다는 것이 이 연구의 추정치이며, 이는 더 깨끗한 공기를 위한 의미 있는 기여를 나타냅니다.

연구진은 이 수치들이 실제 도로에서 물리적인 버스를 운전한 것이 아니라 컴퓨터 시뮬레이션에서 나온 것임을 주의 깊게 명시했습니다. 디지털 모델은 기존의 풍동 데이터를 바탕으로 검증되어 정확성을 확보했으며, 결과는 엔지니어들이 예상하는 바와 일치했습니다. 비록 이 연구가 가능한 모든 형태나 크기를 테스트한 것은 아니지만, 테스트된 옵션들 중에서 명확한 승자를 식별해 냈습니다. 그것은 바로 적당한 크기의 0.5미터 곡선형 루프 페어링이었습니다. 이 발견은 에티오피아 및 유사 지역에서 흔히 볼 수 있는 상자형 버스들의 경우, 비교적 간단하고 저렴한 개조만으로도 연료 효율성과 환경적 영향 측면에서 큰 개선을 이룰 수 있음을 시사합니다. 이 작업은 공기역학을 고려하여 설계되지 않은 차량이라 할지라도, 형상의 작은 변화가 주변 공기와의 상호작용 방식에 얼마나 큰 차이를 만들 수 있는지를 보여줍니다.