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Alex Leong,
Ford Motor Company, UK
Soapbox Race의 기본 개념은 단순합니다 - 오렌지 박스, 양철판, Buggy Wheel과 고물 수준의 거의 모든 것을 가지고 직접 만든 차이지만, 단지 중력의 힘만 가지고 움직일 수 있습니다. 이름하여 'Soapbox Derby'라고 불리우는 이 이름은 신문사진작가인 Myron E. Scott가 우연히 Ohio주의 Dayton에서 세 소년이 직접 만든 차를 가지고 경주를 하는 것을 보고 만든 이름으로, 1933년에 최초로 사용되었다. 그는 소년과 친구들이 언덕에서 경주를 하는 재미있는 광경에 매료되었습니다. 같은해에 그의 보스인 Mr.Scott의 재정적 후원하에 경주가 창설되었습니다. 이때 362명의 아이들이 자신의 손으로 만든 차를 가지고 참가했으며 이 이벤트는 40,000명 이상의 관중이 지켜보는 가운데 펼쳐졌습니다. 곧 이 경주는 북아메리카 전역에 맹렬히 퍼졌습니다. 이 경주의 최대 절정기때에는 All-American Soapbox Derby에 총 120경기, 25,000명의 참가자가 참석했고 약 150만명의 사람들이 지켜봤습니다.
영국에서는 이 스포츠에 엄청난 관심을 보였으며 1994년까지 National Soapbox Association(NSBA)에서 매년 챔피온쉽을 개최하였습니다. 2000년에는 세계에서 최고로 큰 역사적인 모터 경주 이벤트인 Goodwood Festival of Speed의 조직위원회가 Soapbox Racing을 자신들의 주요 이벤트 중 하나로 결정하였습니다. 그다음해에 Goodwood Gravity Racing Club은 레이싱 및 일반 차량 Maker로부터 20팀을 초청하여 열렬한 지원자들에게 그 경주를 맏겼습니다. 그리고나서 Downhill Soapbox Challenge는 축제 중에서 가장 화제가 되고 있는 이벤트의 하나로 자리잡았습니다.
Soapbox Racing이 매우 초라하게 시작되었음에도 불구하고 최근엔 꽤 활성화되고 있습니다. Goodwood Downhill Soapbox Challenge에서 'Gravity-powered Vehicles'의 설계 및 제작은 엄격히 규정되어있습니다. 페달을 이용하거나 밀어서 출발하는 것은 허용되지 않으며 6페이지 가량의 규칙집 또한 전체 크기, 모양, 운전위치 등과 같은 것들을 규정하고 있습니다. 여기엔 접이식 지붕의 차량 혹은 지붕이 달린 유선형 차량 등 2종류의 Soapbox가 있습니다. 시합은 각 선수당 2번의 경주를 실시하여 그 결과 중 낮은 합계의 시간에 의해 승부가 결정납니다. Downhill 코스가 1.1km 이상의 길이이지만, 거의 대부분의 경주자들은 80초 쯤에 도착하고 최종 결승선에 이르렀을 때엔 최고 95km/hr 이상의 속도로 통과합니다. 공기역학적인 효율, 낮은 마찰손실 및 조종 기술은 승리를 위한 중요한 요인입니다.
이것이 조직위원회의 본래 의도는 아니었다 할지라도, 단지 최고의 엔지니어링 회사만 초대받아 참가하였으므로, 경주는 이기는 것 보다는 회사의 명예가 더 중요하게 되었습니다. 그 결과로 시합은 치열하고 격렬하게 되었습니다. 그러나 이는 또한 어떠한 경쟁적인 과제에 참가해보지 못했던 새로운 회사들을 발굴하는 좋은 기회가 되었습니다. Ford에서는 팀원의 대부분이 그들의 회사에 대한 지식과 공학적 기술을 더 배우고자 프로젝트를 맡은 1,2년차 공대 졸업자들입니다. 이것은 또한 Ford의 참가자에 의해 채택된 이름(Centennial EGG Box)에서도 반영됩니다. EGG는 Engineering Graduage group의 약자이며 2003은 회사 100주년을 의미합니다.
Ford팀은 14명의 핵심 멤버로 구성되어 있습니다(작가는 팀의 중요한 지원을 위한 Senior Member임). 각 멤버는 설계, 차체, 휠, 브레이크 등의 제작과 같은 차량의 특정 분야를 맡고 있습니다. 유선형의 차체는 Nomex로 만들어진 섀시를 가진 탄소섬유로 만들어집니다. 휠은 20인치짜리 상용 휠을 사용하며 공기역학적 항력을 감소시키도록 휠 커버가 있습니다. 그러나 패키지와 비용의 제한으로 인해 전체 설계를 진행하는데 CFD를 사용할 수 없었습니다. 그 대신에 CFD는 차량 주위의 공기유동을 확인하고 기본 설계에 더욱 더 향상된 정량적 데이타를 제공하기 위한 도구로 사용되었습니다.
CFD 연구에서는 전체 크기의 차량 모델은 지면 레벨에서 해석되었읍니다. 반 크기의 수치적 영역이 격자처리되어 중앙면은 Symmetr Boundary Condition으로 주어졌습니다. 적당한 Inflow 및 Outflow를 제공하기 위해서 유동영역은 Upstream 및 Downstread 방향으로 각각 차량 길이의 0.5, 1.5배씩 증가시켰습니다. 접이식 지붕을 가진 차량의 설계에서는 운전자는 경사진 위치에 있고 그의 몸은 공기 유동에 부분 노출되어 있습니다. 이것을 고려하여 CFD 모델은 운전자와 그의 헬멧을 포함합니다. 그러나, 운전자의 몸의 나머지 부분은 차량에 포함시켰습니다.
지표면과 차량의 차체(+운전자)는 Fixed Wall Boundary로 처리되었으나, 휠은 Moving Wall Boundary가 적용되었습니다(차량의 전진과 관련된 회전속도를 가짐). Wall 구역 주위의 Boundary Layer 유동을 시뮬레이션 하기위해 2 Layer의 Prism Cell이 모든 닫힌 Wall 표면에 생성되었습니다. Trimmed Cell Technology는 격자를 생성하는데 사용되었습니다. 8mm의 벽 근처의 Cell 크기와 Wake 및 지표면 영역에서의 부가적인 재정렬을 기본으로 하여, 최종 격자는 거의 100만개의 Cell로 이루어졌습니다. 또한 고정된 입구 속도와 Zero Gradient의 출구 조건이 주어졌습니다. 입구측의 속도는 차량이 95km/hr로 움직일때로 가정하였습니다. 유동은 정상상태, 등온, 비압축성, 난류유동으로 가정하였습니다. 일반적으로 쓰이는 High Reynolds k-e 난류 모델을 사용하였습니다.
수치해석 결과는 어떻게 CFD가 설계를 향상시키는데 사용될 수 있을지를 보여줍니다. 이 그림에서 차량과 운전자에 작용하는 압력분포(압력계수로 표현됨)는 Contour로 나타나 있습니다. 정체구간이 헬멧 전면부에 형성되는 것으로 나타났지만 헬멧 주위로 유동이 지나가므로 차량 아래쪽에서 올라오는 유동 흐름을 가라앉히고 있었습니다. 작은 Recirculation Zone이 헬멧 뒷쪽으로 형성되었습니다. 반대로 그림 1은 작은 Deflector가 장착된 경우의 압력계수와 속도벡터를 보여줍니다. 예상했던바와 같이 운전자와 헬멧은 Deflector의 존재로 인해 보호되고 있었습니다. 정체구간은 없어져버렸고, Recirculation Zone 내에서의 유동 강도는 훨씬 약해졌습니다. 이 유동이 차량 하부쪽에서 올라오는 유동과 섞였을 때, 후자는 유동을 지배하고 현저한 양의 난류를 발생시켰습니다. 사실 Deflector를 포함한 설계는 항력값을 18% 정도 증가시켰습니다. 그러나 일반적인 Deflector를 포함한 설계의 경우 CFD는 전체 차량에 작용하는 효과를 고려한다면 Deflector가 없는 것이 전체적인 성능에는 더 나을 것으로 예측합니다.
이러한 모든 노력에도 불구하고 Centennial EGG Box는 Goodwood Race에서 3등 안에 들지 못했습니다. 약간의 튜닝 후에 같은 차량으로 같은 해에 Gloucestershire의 Prescott에서의 Downhill Race에서 우승을 차지하였습니다. 전체적으로 CFD는 기본 설계의 공기역학적 성능을 증가시키는 데 있어서 꽤 성공적이었습니다. 더우기 이러한 경험으로부터 배운 귀중한 기술은 다음해를 위한 설계를 준비하는 팀에게 많은 도움이 되었습니다.
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