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문제 정의
- 이에 따라 국가대표 선수들의 장비 규격 및 비행 자세를 분석하고 대한민국 표준 남성의 체형을 적용하여 연구를 수행하고자 한다. 또한, 비행 자세를 결정하는 해석 파라미터를 가능한 넓은 범위에 걸쳐 변화시키며 공력 해석을 수행하여 경기 기록 향상이 기대되는 비행 자세를 발견하고자 한다.
- 본 연구의 목적은 대한민국 국가대표 스키점프 선수들의 경기 기록 향상과 스키점프 공력 특성에 관한 기초 자료 획득을 위해 한국인의 체형 특성이 고려된, 보다 공력 성능이 우수한 스키점프 비행 자세를 찾아내는 데 있다. 이에 따라 국가대표 선수들의 장비 규격 및 비행 자세를 분석하고 대한민국 표준 남성의 체형을 적용하여 연구를 수행하고자 한다.
- 본 연구의 목적은 대한민국 국가대표 스키점프 선수들의 경기 기록 향상과 스키점프 공력 특성에 관한 기초 자료 획득을 위해 한국인의 체형 특성이 고려된, 보다 공력 성능이 우수한 스키점프 비행 자세를 찾아내는 데 있다. 이에 따라 국가대표 선수들의 장비 규격 및 비행 자세를 분석하고 대한민국 표준 남성의 체형을 적용하여 연구를 수행하고자 한다. 또한, 비행 자세를 결정하는 해석 파라미터를 가능한 넓은 범위에 걸쳐 변화시키며 공력 해석을 수행하여 경기 기록 향상이 기대되는 비행 자세를 발견하고자 한다.
제안 방법
- 유입구 조건은 국가대표 선수들의 최종 활강 속도인 90km/h의 풍속을 5% 난류 강도로 기입하였고, 대기는 0℃의 공기 물성치를 사용하였다. 모델 표면에는 no-slip, 외부 영역 계면에는 flow-tangency 경계조건을 설정하였다. 무차원 벽면거리(y+) 산정을 위한 레이놀즈 수는 Re = 4.
- 무차원 벽면거리(y+) 산정을 위한 레이놀즈 수는 Re = 4.59 × 106 , 특성 길이로는 스키 길이를 사용하였으며 연속 방정식의 RMS 오차를 10-4 이하로 수렴시켰다.
- 스키각(V)은 상기 선수들의 평균치인 30°, 팔각(δ)은 동계올림픽 참가 선수들의 평균치인 5.3°로 고정한 후, α와 β에 대해서는 5°간격, γ에 대해서는 10° 간격으로 조합한 비행 자세에 대하여 정상 유동 해석을 수행하였다.
- 이에 따라 α = 25°, 30°, 35°의 3가지 받음각 자세로 표본을 증가시켜 통계적 분석을 시도하였다.
- 전체 해석 영역은 풍동과 유사한 직육면체 형상으로, 벽면의 간섭 효과를 최소화하기 위해 모델의 각 축방향 최대 길이의 10배 크기로 영역을 설정하였다. 유입구 조건은 국가대표 선수들의 최종 활강 속도인 90km/h의 풍속을 5% 난류 강도로 기입하였고, 대기는 0℃의 공기 물성치를 사용하였다.
- 59 × 106 , 특성 길이로는 스키 길이를 사용하였으며 연속 방정식의 RMS 오차를 10-4 이하로 수렴시켰다. 측풍 효과는 무시하였으며 후류(wake)의 영향을 반영하기 위해 모델을 유입구로부터 40% 위치에 고정시킨 후, 좌우 대칭성을 고려하여 symmetry 해석을 수행하였다.
- 양항비는 공기역학에서 쓰이는 주요 비행성능지표 중 하나로서 이 값이 높을수록 스키점프 선수는 더 멀리 더 오랜 시간 비행이 가능하다. 피칭 모멘트 계수를 분석하여 비행 중인 선수의 정적 세로 안정성을 평가하였다.
- 해석 파라미터로 받음각(α), 발목각(β), 허리각(γ), 스키각(V), 팔 각(θ)을 선정하였으며 받음각은 참고문헌[3][5]에서와 마찬가지로 활공 시 지면을 기준으로 삼아 측정하였다.
- 활공 거리에 가장 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 받음각(α), 발목각(β), 허리각(γ) 조합에 따른 공력 특성을 분석하였다.
대상 데이터
- Figure 2에 모델 주위 격자 형상을 나타내었다. 격자의 전체 요소 개수는 약 350만 개, 노드 수는 약 100만 개이며 경계층 해석을 위해 모델 표면에 첫째 레이어 두께를 무차원 벽면거리 y+=1로 하여 확장비 1.2의 프리즘 레이어를 30겹으로 생성하였다. 일반 유동 영역은 최소 격자 크기 약 1mm로 시작하여 일정비(1.
데이터처리
- 스키점프 선수 모델에 대한 공력 해석을 수행하여 비행 자세별 공력 특성 및 양항비를 계산하였으며 해석 결과를 기존 연구의 풍동 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 비행 자세 제어 파라미터인 받음각(α), 발목각(β), 허리각(γ), 스키각 (V), 팔각(θ)을 변화시키며 전산 수치 해석을 수행한 결과, α = 10°, β = 20°, γ = 160°의 자세에서 최대 양항비가 도출되었으며, 모멘트 평형이 고려된 α ≈10°, β = 25 ± 10°, γ = 160°의 자세에서 우수한 공력 성능이 예측되었다.
- 여기서, Seo의 데이터는 공력계수선도 상 표기된 실험점의 개수의 불규칙성에 기인하여 α = 0~50°범위에서 측정된 양항비의 평균값을 기록하였다.
이론/모형
- 3°로 고정한 후, α와 β에 대해서는 5°간격, γ에 대해서는 10° 간격으로 조합한 비행 자세에 대하여 정상 유동 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 공력 계수 산출을 위한 수식 (1)~(4)의 AP와 l의 값으로 한국 평균 비행 자세(Table 2)의 planform area와 스키 길이(Table 1)를 사용하였다.
- 스키점프 선수 주위의 외부 유동 해석을 위해 ANSYS社의 CFX Ver. 13을 사용하여 RANS 방정식을 계산하였으며, Menter의 k-ω 기반 SST 난류 모델[6]을 이용하여 난류 유동을 예측하였다.
- 해석 파라미터로 받음각(α), 발목각(β), 허리각(γ), 스키각(V), 팔 각(θ)을 선정하였으며 받음각은 참고문헌[3][5]에서와 마찬가지로 활공 시 지면을 기준으로 삼아 측정하였다. 해석 모델은 국가대표 선수들의 평균 신장과 장비 규격을 사용하여 Reisenberger의 인체 모델링 기법[9]을 바탕으로 원과 각기둥 형상에 기반하여 설계하였다. 해석 파라미터를 정확한 수치로 조작 가능하도록 3차원 어셈블리 모델을 제작하였으며 인체 비례는 한국 남성의 표준체형[10]을 적용하였다.
- 해석 모델은 국가대표 선수들의 평균 신장과 장비 규격을 사용하여 Reisenberger의 인체 모델링 기법[9]을 바탕으로 원과 각기둥 형상에 기반하여 설계하였다. 해석 파라미터를 정확한 수치로 조작 가능하도록 3차원 어셈블리 모델을 제작하였으며 인체 비례는 한국 남성의 표준체형[10]을 적용하였다.
성능/효과
- 공통적으로 V = 0°, θ = 40°에서 최소 양항비를 나타내었으며 최대 양항비는 받음각별로 V≈30~40°, θ ≈0~10°의 자세에서 발생하여 해당 자세에서 경기 기록 향상이 이루어질 가능성이 높은 것으로 나타났다.
- 그래프에 따르면 FLT가 y+=1에 접근할수록 양항비가 수렴하는 것을 확인할 수 있으며, 특히 u+와 y+값이 정비례하는 y+=5 이하의 viscous sublayer 구간에서는 양항력 및 양항비가 1% 미만의 수치 변화를 보여 격자 수렴성 측면에서 우수한 해석 결과를 나타내었다.
- 그러나 Fig. 8에서 무엇보다 주목해야 할 비교 대상은 비행 자세에 따라 변화하는 상대적인 공력 성능으로, γ = 160°의 자세에서 α, β 증가에 따른 양항비 감소 경향이 CFD 해석과 실험 결과에서 서로 유사한 것으로 확인됨에 따라, 본 연구에 적용된 한국형 인체 모델링 해석 기법이 스키점프 공력 특성 분석에 있어 타당한 성능을 나타내는 것으로 사료되었다.
- Meile의 풍동 실험에서는 지지대와 자세 제어용 장치가 부착된 축소 모형이 사용되었고 모델의 측정 비행 자세에 따라 10% 이상의 폐색률(blockage ratio)을 기록하여 폐색 효과(blockage effect)가 발생하였다. 반면, 본 연구에서는 대한민국 국가대표 선수의 실측 치수와 실제 비행 조건을 바탕으로 해석을 수행하였으며 테스트 영역의 벽면 효과를 제거하고 단면적을 충분히 확장하여 폐색 효과를 최소화하였다. 폐색률이 최대 0.
- 스키 각(V)은 약 30~40°, 팔각(θ)은 약 10° 근방에서 상대적으로 높은 양항비가 나타났다. 본 연구에서 사용한 한국형 인체 모델링 해석 기법은 참고문헌[3][4]의 실험 결과에 근거하여 스키점프 비행 공력 특성 분석에 있어 적절한 기법으로 판단되었다. 해석 시, 경기 복장에 의한 영향이나 측풍 및 상대풍의 동적 변화에 대해서는 고려되지 않았으며, 향후 측풍 효과나 복장 재질과 표면 조도 간 상관관계를 연구한다면 스키점프 경기 기록 향상에 더욱 효과적인 연구 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대한다.
- 비행 자세 제어 파라미터인 받음각(α), 발목각(β), 허리각(γ), 스키각 (V), 팔각(θ)을 변화시키며 전산 수치 해석을 수행한 결과, α = 10°, β = 20°, γ = 160°의 자세에서 최대 양항비가 도출되었으며, 모멘트 평형이 고려된 α ≈10°, β = 25 ± 10°, γ = 160°의 자세에서 우수한 공력 성능이 예측되었다.
- 비행 중인 스키점프 선수의 영(零)양력 저항 계수(zero-lift drag coefficient)는 약 0.1을 기록하였으며 각 곡선들은 C D < 0.8 구간에서 유사한 형상을 나타내었으나 γ각이 커질수록 C D ≥ 0.8구간에서 양력 대비 항력계수가 급격하게 증가함을 알 수 있다.
- 반면, 본 연구에서는 대한민국 국가대표 선수의 실측 치수와 실제 비행 조건을 바탕으로 해석을 수행하였으며 테스트 영역의 벽면 효과를 제거하고 단면적을 충분히 확장하여 폐색 효과를 최소화하였다. 폐색률이 최대 0.4% 미만으로 감소하고 지지대와 부착 장치에 의한 교란이 사라짐에 따라 풍동 실험에 비해 항력이 감소하고 양항비가 상승한 결과가 예측되었다. 그러나 Fig.
- 해석 결과, α = 10°, β = 20°, γ = 160°의 자세에서 최대 양 항비 2.201이 도출되었으며 이어서 α = 10°, β = 25°, γ = 160°에서 2.197, α = 5°, β = 25°, γ = 160°에서 2.144, α = 10°, β = 30°, γ = 150°에서 2.073 순으로 양항비가 높게 나타났다.
- 해석 결과, 전반적으로 V각은 커지고 θ각은 작아질수록 양항비가 증가하는 경향을 보였으나 양항비의 증감 구배는 받음각별로 상이한 결과를 나타내었다.
- 해석 결과에 따르면, 받음각에 따른 피칭 모멘트 변화율(dCM /dα)은 0° ≤ α≤ 15°, α≥ 40° 구간에서 +/-를 오가며 교호 응답(alternative response)에 의한 세로 불안정성을 나타내었으나 CM 값은 대부분의 자세에서 음의 값을 지니며 복원 모멘트가 발생하였다.
후속연구
- 본 연구에서 사용한 한국형 인체 모델링 해석 기법은 참고문헌[3][4]의 실험 결과에 근거하여 스키점프 비행 공력 특성 분석에 있어 적절한 기법으로 판단되었다. 해석 시, 경기 복장에 의한 영향이나 측풍 및 상대풍의 동적 변화에 대해서는 고려되지 않았으며, 향후 측풍 효과나 복장 재질과 표면 조도 간 상관관계를 연구한다면 스키점프 경기 기록 향상에 더욱 효과적인 연구 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대한다.
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