[논문]봅슬레이의 형상에 따른 유동에 관한 융합 연구

오범석; 조재웅

doi:10.15207/jkcs.2019.10.8.159

봅슬레이의 형상에 따른 유동에 관한 융합 연구
Convergence Study on Flow due to the Configuration of Bobsleigh 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.10 no.8, 2019년, pp.159 - 164

오범석 (공주대학교 기계자동차공학부) , 조재웅 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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충격을 완화시키기 위해 봅슬레이의 프론트 범퍼가 장착되지만, 봅슬레이에 대한 공기 저항은 앞에 위치한 몸체의 형태에 따라 달라진다. 본 연구에서는 봅슬레이의 세 가지 형상에 대한 유동 해석을 수행하였으며, 압력을 적게 받게 되는 모델 B, C인 앞이 뾰족한 형태가 앞이 둥근 모델인 모델 A보다 공기 저항을 줄일 수 있고 범퍼 뒤 쪽이 좁아지는 형태가 넓어지는 형보다 좀 더 매끄러운 유동 흐름이 될 수 있다. 본 연구 결과는 봅슬레이에서의 유동 저항을 가장 줄일 수 있는 몸체의 설계를 확보하는 데 기여할 수 있다고 사료된다. 본 연구결과를 토대로 얻은 봅슬레이의 내구성 있는 설계데이터를 활용함으로서 실생활에서의 기계나 구조물에 융합하여 그 미적 감각을 나타낼 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The front bumper of bobsleigh is mounted to alleviate the impact, but the air resistance to the bobsleigh depends on the body shape positioned in front. This study was conducted the flow analyses about three kinds of bobsleigh configurations. Models B and C with the sharp type of the front can reduce the air resistance than model A with the round type of the front. And the type that the back of the bumper narrows can generate a flow smoother than the one widening. It is thought that the results of this study can be devoted at ensuring the body design to reduce the flow resistance most at bobsleigh. As the design data with the durability of bobsleigh obtained on the basis of this study result are utilized, the esthetic sense can be shown by being grafted onto the machine or structure at real life.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Bumper model of bobsleigh
그림 Fig. 2. Inlet of each model
그림 Fig. 3. Outlet of each model
그림 Fig. 4. Pressure configuration of outside air at each model
그림 Fig. 5. Pressure of main body at each model
그림 Fig. 6. Velocity of air at each model

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 봅슬레이의 기록에 큰 영향을 주는 공기저항을 줄이기 위하여 봅슬레이의 앞 범퍼의 형상을 다양하게 설계하여서 봅슬레이에 가해지는 공기저항을 보다 줄일 수 있도록 하기 위하여 다양한 앞 범퍼의 형상들을 만들어 각 모델들이 봅슬레이의 공기 저항에 미치는 영향을 살펴보고 그 공기 저항을 줄일 수 있는 가장 좋은 유동이 될 수 있는 범퍼의 형상을 연구하였다.

제안 방법

본 연구에서는 봅슬레이 몸체와 봅슬레이의 앞 범퍼를 실제 형상과 비슷하게 CATIA를 사용하여 모델링했다. ANSYS를 사용하여 각 모델을 유동해석을 하였다. 그 결과는 다음과 같다.
모델 A, B, C의 봅슬레이 본체는 동일하며 A모델의 앞 범퍼는 앞쪽과 뒤쪽이 둥근 타원형이며 B, C모델은 앞쪽은 뾰족하나 뒤쪽으로 갈수록 좁아지거나 넓어지게 하여 모델링을 하였다. 유동 해석을 하기 위한 각 모델들의 메쉬에 있어서 Elements는 모델 A가 38150개, 모델 B는 56429개 모델 C는 59359개이다.
본 연구에서는 봅슬레이 몸체와 봅슬레이의 앞 범퍼를 실제 형상과 비슷하게 CATIA를 사용하여 모델링했다. ANSYS를 사용하여 각 모델을 유동해석을 하였다.
본 연구에서는 봅슬레이의 앞 범퍼의 형상 3가지를 3D 모델링을 하였다. 3D 모델링은 CATIA를 사용하였으며, 앞 범퍼의 구조는 Fig.
유동해석으로서 공기가 이동할 때 공기의 흐름을 예측하는 것, 즉 공기의 움직임으로 생기는 압력, 속도, 공기저항을 눈으로 볼 수 있도록 해석한다. 또한 모델을 둘러싼 박스를 하나 만든 후 정면에서 공기를 후면으로 이동시켜 차체의 유동해석을 할 수 있다.
봅슬레이가 주행할 때 봅슬레이 몸체에는 공기저항을 받게 된다. 해석 조건으로서 Inlet에 공기유동을 100km/h 의 속도로 공기를 유입시켰다. 공기의 Pressure의 결과는 Fig.
봅슬레이가 주행을 할 때 봅슬레이의 몸체에는 공기저항을 받게 된다. 해석 조건으로서는 Inlet에 공기유동을 100km/h의 속도로 공기를 유입시켰다. 차체의 Pressure의 결과는 Fig.

대상 데이터

모델 A, B, C의 봅슬레이 본체는 동일하며 A모델의 앞 범퍼는 앞쪽과 뒤쪽이 둥근 타원형이며 B, C모델은 앞쪽은 뾰족하나 뒤쪽으로 갈수록 좁아지거나 넓어지게 하여 모델링을 하였다. 유동 해석을 하기 위한 각 모델들의 메쉬에 있어서 Elements는 모델 A가 38150개, 모델 B는 56429개 모델 C는 59359개이다. Nodes는 모델 A가 7242개, 모델 B가 10500개 모델 C가 11019개이다.

이론/모형

본 연구에서는 봅슬레이의 앞 범퍼의 형상 3가지를 3D 모델링을 하였다. 3D 모델링은 CATIA를 사용하였으며, 앞 범퍼의 구조는 Fig.1과 같다.
또한 모델을 둘러싼 박스를 하나 만든 후 정면에서 공기를 후면으로 이동시켜 차체의 유동해석을 할 수 있다. 유동해석은 ANSYS를 사용하였다. Fig.

성능/효과

1) 유동 해석 결과, 공통적으로 모델 A, B, C를 비교해본 결과 큰 차이는 없지만 앞이 뾰족한 모델이 둥근 모델보다 Pressure값이 499pa로 높은 결과를 보여 주었다. 하지만 뒤로 갈수록 좁아지는 모델 B이 뒤로 갈수록 넓어지는 모델 C 보다 더 7pa이 적게 받게 된다.
2) 유동 해석 결과 공통적으로 모델 A, B, C를 비교해본 결과, 앞 쪽이 둥근 모양이 앞 쪽이 뾰족한 모양보다 봅슬레이 몸체에 가해지는 압력이 더 큰 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 앞 쪽이 뾰족한 앞 범퍼가 더 공기저항을 7pa 더 줄일 수 있는 형상이 된다.
3) 유동 해석 결과 공통적으로 모델 A, B, C를 비교해본 결과 속도는 앞부분이 뾰족하고 뒤쪽이 좁아진 모델 B가 34m/s로 가장 빠르고 다음으로는 앞부분이 뾰족하고 뒤쪽이 넓어진 모델 C가 33m/s이고 마지막은 앞이 둥근 타원형 모델 A로 30m/s가 되었다. 비록 큰 차이는 아니지만 봅슬레이 경기 자체가 0.
4) 모델 A, B, C를 위에 유동해석을 통해 비교분석 한 결과, 같은 재질에 같은 공기의 속도 값을 가하여도 형상에 따라 공기 유동의 효율이 달라질 수 있음을 알았다. 결과적으로, 본 연구를 통하여 조금 더 같은 재질 같은 조건을 가지고 효율적인 제품을 만들 수 있다고 사료된다.
Berton 등은 실제 프랑스 봅슬레이 국가대표팀 선수들의 탑승시 그 배치 순서를 변경을 하며 풍동실험을 하였다. 그 결과 항력을 감소시킬 수 있는 최적의 선수배치를 구상하여서 그 해에 올림픽에서 5등의 결과를 얻을 수가 있었다. 그러나 이러한 방법은 다양한 형상이나 변수설정을 이용한 명확한 비교보다는 추상적인 정보만 제공하였다.
해석 결과로서는 수치로 확인을 하는 것이 아니고 그림결과로서 확인을 할 수 있다. 그 결과는 앞 쪽이 둥근 모델 A의 경우 봅슬레이 몸체 위쪽에 저항을 많이 받는 반면, 앞 쪽이 뾰족한 모델인 B와 C의 경우 모델 A보다 몸체 위쪽에 저항을 받는 것이 많이 줄어들었다. 그리고 뒤로 갈수록 좁아지는 모델 B가 뒤로 갈수록 넓어지는 모델 C 보다 저항을 덜 받았다.
결과적으로, 본 연구를 통하여 조금 더 같은 재질 같은 조건을 가지고 효율적인 제품을 만들 수 있다고 사료된다. 그리고 본 해석 결과를 실제 적용하였을 때 봅슬레이를 타고 운동하는 선수가 미리 그 내구성을 예측할 수가 있어서 그 안전성을 미리 예견할 수 있는 효과가 있다고 보인다. 또한 본 연구결과를 토대로 얻은 봅슬레이의 내구성 있는 설계데이터를 활용함으로서 실생활에서의 기계나 구조물에 융합하여 그 미적 감각을 나타낼 수 있다.
6과 같이 됨을 알 수 있다. 최대 Velocity 값을 보면 모델 A의 값이 30m/s, 모델 B의 값이 34m/s, 모델 C의 값이 33m/s인 것을 확인할 수 있다. 그리고 최소 Velocity 값을 보면 모델 A의 값이 0m/s, 모델 B의 값이 0m/s, 모델 C의 값이 0m/s인 것을 확인할 수 있다.

후속연구

4) 모델 A, B, C를 위에 유동해석을 통해 비교분석 한 결과, 같은 재질에 같은 공기의 속도 값을 가하여도 형상에 따라 공기 유동의 효율이 달라질 수 있음을 알았다. 결과적으로, 본 연구를 통하여 조금 더 같은 재질 같은 조건을 가지고 효율적인 제품을 만들 수 있다고 사료된다. 그리고 본 해석 결과를 실제 적용하였을 때 봅슬레이를 타고 운동하는 선수가 미리 그 내구성을 예측할 수가 있어서 그 안전성을 미리 예견할 수 있는 효과가 있다고 보인다.
따라서, 본 연구에서는 봅슬레이의 기록에 큰 영향을 주는 공기저항을 줄이기 위하여 봅슬레이의 앞 범퍼의 형상을 다양하게 설계하여서 봅슬레이에 가해지는 공기저항을 보다 줄일 수 있도록 하기 위하여 다양한 앞 범퍼의 형상들을 만들어 각 모델들이 봅슬레이의 공기 저항에 미치는 영향을 살펴보고 그 공기 저항을 줄일 수 있는 가장 좋은 유동이 될 수 있는 범퍼의 형상을 연구하였다. 또한 해석 결과를 통하여 설계에 적용하였을 때, 실제 실험을 하지 않고도 예측되는 결과를 잘 검증할 수가 있어서 본 논문 결과를 유용하게 사용할 수 있다고 사료된다. 그리고 본 연구결과를 토대로 얻은 봅슬레이의 내구성 있는 설계데이터를 활용함으로서 실생활에서의 기계나 구조물에 융합하여 그 미적 감각을 나타낼 수 있다[4-7].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	봅슬레이란 무엇인가?	봅슬레이(Bobsleigh)는 방향을 움직여 가며 썰매를 타고 눈이나 얼음으로 된 트랙을 활주하는 경기이다. 19세기 후반에는 유럽의 스위스에서 스포츠의 형태로 자리를 잡았으며, 1924년에 동계올림픽 경기대회 때부터 정식의 종목으로 채택이 되었다.
	봅슬레이의 경기기록에 가장 중요하게 작용되는 요소는?	소치에서 개최된 2014년 동계 올림픽에서 우리 나라에서 국가대표의 선수의 활약으로 봅슬레이에 관한 한국민의 관심이 증대가 되고 있다. 봅슬레이의 경기기록을 좌우하는 요인은 여러 가지가 있지만 그 중에서 가장 중요하게 작용되는 요소 중의 하나는 봅슬레이의 본체에 작용하는 공기저항을 뽑을 수 있다. 봅슬레이의 기록을 단축시키기 위한 연구는 주로 풍동 실험을 통하여 봅슬레이의 본체 주위의 유동을 분석하고전산유체역학(CFD)을 이용하여 다양한 형상을 만들어 유동해석을 하고 있다[1-15].
	봅슬레이의 경기기록을 단축시키기 위해 어떤 연구가 진행되고 있는가?	봅슬레이의 경기기록을 좌우하는 요인은 여러 가지가 있지만 그 중에서 가장 중요하게 작용되는 요소 중의 하나는 봅슬레이의 본체에 작용하는 공기저항을 뽑을 수 있다. 봅슬레이의 기록을 단축시키기 위한 연구는 주로 풍동 실험을 통하여 봅슬레이의 본체 주위의 유동을 분석하고전산유체역학(CFD)을 이용하여 다양한 형상을 만들어 유동해석을 하고 있다[1-15]. Berton 등은 실제 프랑스 봅슬레이 국가대표팀 선수들의 탑승시 그 배치 순서를 변경을 하며 풍동실험을 하였다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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