[논문]봅슬레이의 형상변화가 공력성능에 미치는 영향

심현석; 정효연; 김준희; 김광용

doi:10.3795/ksme-c.2015.3.3.233

초록
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본 연구에서는 다양한 형상변수들이 봅슬레이의 공력성능에 미치는 영향을 평가하기 위하여 삼차원 Reynolds-averaged Navier-Stoke 해석을 수행하였으며, 난류모델로는 표준 k-${\varepsilon}$ 모델이 사용하였다. 격자계로는 비정렬 사면체 격자를 사용하였다. 성능 평가를 위한 형상변수로는 전방범퍼의 장축의 길이, 범퍼의 높이, 그리고, 카울링 측면과 정면 각각에서의 곡률반경 등 네가지 변수를 설정하였으며. 이들이 공력성능으로 선정된 항력계수에 미치는 영향을 평가하였다. 해석결과, 범퍼의 높이와 카울링 측면의 곡률반경이 항력계수에 민감한 영향을 미침을 알 수 있었다.

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Analysis of the aerodynamic performance of a bobsleigh has been performed for various types of bobsleigh body shape. To analyze the aerodynamic performance of the bobsleigh, three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stoke equations were used with the standard k-${\varepsilon}$ model as a...

Analysis of the aerodynamic performance of a bobsleigh has been performed for various types of bobsleigh body shape. To analyze the aerodynamic performance of the bobsleigh, three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stoke equations were used with the standard k-${\varepsilon}$ model as a turbulence closure. Grid structure was composed of unstructured tetrahedral grids. The radii of curvature of cowling, and height and length of front bumper at the tip on the drag coefficient were selected as geometric parameters. And, the effects of these parameters on the aerodynamic performance, i.e., the drag coefficient, were evaluated. The results shows that the aerodynamic performance is significantly affected by the height of front bumper and radius of curvature.

주제어

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문제 정의

후)공력 성능에">공력성능에 미치는 영향을 평가하기 위해서 좀 더 체계적인 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 국제 봅슬레이연맹(FIBT)의 규정⁽⁴⁾을 만족하도록 선정된 봅슬레이 형상을 바탕으로 삼차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 해석을 수행하고 이를 토대로 봅슬레이 동체의 다양한 형상 변수들이 공력성능에 미치는 영향에 대해 살펴보았다.
본 연구에서는 봅슬레이의 외부 유동에 대해 삼차원 RANS 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 앞 절에서 선정된 네 가지 형상변수들이 봅슬레이의 공력성능에 미치는 영향을 삼차원 RANS해석을 통해 알아보았다. Fig.

가설 설정

후)비압축성삼차원">비압축성 삼차원 정상상태로 가정하여 해석을 수행하였으며 작동유체는 경기가 진행되는 장소의 온도와 경기 시간을 고려하여 0℃의 이상기체로 가정하였다. 후)입구 조건으로">입구조건으로 속도를 주행 평균 속도인 35m/s로 가정하였고, 출구조건은 대기압 조건을 부여하였으며, 모든 벽에 점착조건과 단열조건을 사용하였다. 또한 계산시간의 절감을 위해
제안 방법
- 2에 나타내었다. 경계층에서의 정밀한 유동해석을 위하여 봅슬레이 표면에 프리즘 격자를 구성하였고, 벽 근처 영역에서 실험적인 벽함수를 사용하기 위해 첫 번째 프리즘 격자의 y⁺값은 20 이상, 200 이하가 되도록 유지시켰다. 또한 형상 부근과 박리영역에는 격자를 조밀하게 구성하여 유동의 정확한 예측을 가능하게 하였다.
- 후)공력 성능으로">공력성능으로 선정된 항력계수에 대한 형상변수의 영향을 알아보기 위해 네 가지의 형상 변수, 타원형 범퍼의 전방 장축의 길이, 범퍼의 높이, 카울링 측면과 정면 각각에서의 곡률반경이 선정되었으며, 총 16개의 형상에 대하여 결과를 도출하였다. 범퍼의 후)단열 조건을">단열조건을 사용하였다. 또한 계산시간의 절감을 위해 대칭면을 기준으로 하여 대칭조건을 부여하였다.
대상 데이터
- 약 120만개에서 353만개까지 격자수를 변화시켜가며 테스트를 수행한 결과 237만개와 353만개 격자의 정압 분포는 비교적 큰 차이를 보이지 않았다. 이러한 결과를 바탕으로 237만개를 계산에 사용될 최적격자로 선정하였다.
이론/모형
- 난류모델로는 수치적으로 강건하다고 밝혀진 바 있어 다양한 유동해석에 보편적으로 사용되고 있는 표준 k-ε 모델을 사용하였으며, (5,6) Lewis(3)는 표준 k-ε 모델을 사용한 봅슬레이 유동의 수치해석 결과가 풍동 실험 결과와 비교적 일치함을 보여줌으로서 그 타당성을 입증하였다.
- 본 연구에서는 FIBT의 규정을 고려하여 기준 봅슬레이 형상 (2인승, 탑승자 포함한 형상)을 선정하였으며 봅슬레이 외부 유동장의 삼차원 수치해석을 수행하기 위해 상용 소프트웨어인 ANSYS-CFX 15.0⁽⁵⁾을 사용하였다. 해석에 사용된 계산영역과 경계조건을 Fig.

성능/효과

5(b)와 (c)에서는 형상 변화에 따른 항력계수의 변화가 비교적 크게 나타나고 주어진 형상 변수 범위 내에서 항력계수의 단순 최소치가 존재함을 알 수 있다. L₂/W의 경우, L₂/W=0.14일 때 최소항력을 가짐을 알 수 있고 이 때 항력계수는 0.2955로, 최대값을 가지는 지점인 L₂/W=0.16에서의 항력계수 0.3042와 비교하여 2.94%의 공력성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 또한 R₁/L의 경우에서는 R₁/L=1 일 때의 항력계수는 최솟값인 0.
9에 나타내었다. R₂/L가 증가할수록 x/L=2.55에서 후류가 넓은 유동손실 영역을 가짐을 확인할 수 있고, 유동의 회복정도 역시 느린 것이 관찰되었다. 이러한 상대적으로 큰 후)압력계 수">압력계수 분포를 보여준다. 공통적으로 유동과 직접적으로 충돌하는 탑승자 머리 앞부분에는 압력이 높고 머리 윗부분에서는 빠른 유동속도로 인해 압력이 다른 곳에 비해 상대적으로 낮은 것으로 관찰되었다. 이로 인하여 압력이 높은 봅슬레이 전면부와 유동이 박리된 후)공력 성능이">공력성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 또한 R₁/L의 경우에서는 R₁/L=1 일 때의 항력계수는 최솟값인 0.2957이며, R₁/L=0.6일 때의 최댓값인 0.3018과 비교하였을 때, 2.06% 향상된 결과를 보여주었다. 한편, Fig.
후)공력 성능을">공력성능을 감소시키는 요인이 된다. 또한, 전체적으로 후류에서 강하게 생성된 와류가지 면방향으로 향하는 현상이 관찰되었고, 이는 자유흐름에 평행한 방향으로 유도항력을 발생시켜 공력성능에 부정적인 영향을 미친다.
후)와도(vorticity)">와도 (vorticity) 분포를 보여주고 있다. 모든 형상에서 유동장이 전방범퍼로 인해 형성된 상부의 와류와 카울링의 영향으로 인해 생성된 하부의 와류로 구성되어 있는 것을 공통적으로 확인할 수 있다. L₁/W=0.
후)곡률 반경이">곡률반경이 선정되었으며, 총 16개의 형상에 대하여 결과를 도출하였다. 범퍼의 높이나 카울링 측면 곡률반경을 변경한 경우, 형상 변화에 대한 공력성능의 변화가 크게 나타나고 주어진 설계 범위 내에 최소의 항력계수를 가짐을 확인할 수 있었으며, 각각 최대항력 대비 2.94%와 2.06%의 항력 감소율을 얻을 수 있었다. 카울링 3(a)에 나타낸 임의의 선 A-B 상에서의 정압 분포를 나타내고 있다. 약 120만개에서 353만개까지 격자수를 변화시켜가며 테스트를 수행한 결과 237만개와 353만개 격자의 정압 분포는 비교적 큰 차이를 보이지 않았다. 이러한 결과를 바탕으로 237만개를 계산에 사용될 최적격자로 선정하였다.

후속연구

36%로 비교적 큰 영향을 주지 않는다. 본 연구를 통해 봅슬레이 주요 구성요소의 형상 인자가 공력성능에 미치는 영향을 살펴보았으며, 향후 연구에서는 헬멧 형상, 블레이드 러너 그리고 봅슬레이 선수의 자세 등과 같은 추가적인 형상 변수를 선정하여 이를 통해 봅슬레이의 공력성능을 최대화 할 수 있는 형상 최적설계를 수행할 수 있으리라 기대된다.

참고문헌 (7)

Berton, E., Favier, D., Agnes, A. and Pous, F., 2004, "Aerodynamic Optimization of a Bobsleigh Configuration", International Journal of Applied Sports Sciences, Vol. 16, No. 1, pp. 1-13.

상세보기
Chowdhury, H., Alam, F., Arena, S. and Mustary, I., 2013, "An experimental study of airflow behaviour around a standard 2-man bobsleigh", 6th Asia-Pacific Congress on Sports Technology (APCST), Vol. 60, pp. 479-484.
Lewis, O., 2006, "Aerodynamic analysis of a 2-man bobsleigh", Master of Science Thesis, TU Delft, Netherlands.
International Rules, 2005, FIBT.
CFX-15.0 Solver Theory, 2013, Ansys Inc.
B.E. Launder and D.B. Spalding, 1974, "The Numerical Computation of Turbulent Flows", Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 3, pp.269-289.

상세보기
ICEM CFD-15.0, 2013, Ansys Inc.

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