[보고서]동계스포츠 선수/장비/환경 간 상호작용을 통해 발생하는 항력/양력 최적제어 원천기술 개발

최해천

보고서 정보

주관연구기관

서울대학교
Seoul National University

연구책임자

최해천

참여연구자

정대한 , 이정일

보고서유형

최종보고서

발행국가

대한민국

언어

한국어

발행년월

2019-05

과제시작연도

2019

주관부처

과학기술정보통신부
Ministry of Science and ICT

등록번호

TRKO202000000081

과제고유번호

1711082766

사업명

STEAM연구(R&D)

DB 구축일자

2020-07-29

키워드

스키점프.공기저항.고정확도 전산유체역학.최적자세.대형풍동실험.Ski jump.Aerodynamic drag.High fidelity CFD.Optimal posture.Large-scale wind tunnel experiment.

표 (a) 스키점프 선수의 자세와 관련된 매개변수와 다양한 매개변수로 구성된 자세의 예; (b) 자세 번호에 따른 양항비의 변화
표 동계스포츠 선수/장비/환경 간 상호작용을 통해 발생하는 항력/양력 최적제어 원천기술 개발 연구개요도
표 (a) PIV schematic diagram; (b) PIV로 촬영한 입자 이미지
표 (a) SPIV schematic diagram; (b) SPIV의 원리 (Prasad, 2000)
표 Scheimpflug adapter
표 SPIV 시스템의 calibration (a) left CCD camera; (b) right CCD camera
표 SPIV 테스트 결과
표 Calibration target과 레이저 평면 불일치에 따른 에러 (Willert, 1997)
표 Simplified ski jumper model (Meile et al., 2006)
표 활공 자세에 대한 3차원 스캐닝 (스키점프 국가대표 선수)
표 (a) 활강, 활공 자세에 따른 3차원 모델링; (b) 활강, 활공 모델의 상세 스펙
표 동적 광역 모델을 이용한 LES 기법을 통해 모사한 난류 유동장 (Lee, 2010) (a) 구 (Re=105); (b) GM model (Re=1.7⨯105)
표 동적 광역 모델을 이용한 LES 기법을 통해 모사한 평균 유동장 (a) 활공(LES) (Re=5.4⨯105); (b) 활강(PIV) (Re=3.6⨯105); (c) 활강(LES) (Re=3.6⨯105)
표 일정 시간 간격 계산 시 코어 수에 따른 시간당 계산 수(red); 추세선 ( y= 0.0026x + 0.0051 )(green); computing speed = tcU∞/H/tr ; tc : computational time; tr : real time
표 유동해석을 위한 계산조건
표 선수 B의 활강/활공자세 3차원 스캔 (a) 3차원 스캔 모델; (b) 가상경계방법(Immersed boundary method, IBM)와의 연동을 위한 모델 내부 격자
표 유동해석을 위한 계산영역 : RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes)기법을 위한 계산 영역 (왼쪽); 큰 에디 모사(Large Eddy Simulation, LES)기법을 위한 계산 영역과 경계조건 (오른쪽)
표 활강 시 Center plane에서의 속도벡터 : LES 계산(위쪽); PIV 측정(아래쪽)
표 활강 시 Reynolds 수에 따른 항력계수
표 활공 시 시간에 따른 받음각의 변화 (Schmolzer & Muller, 2005)
표 순간 유동장에서 3차원 streamline를 통해 관찰한 wing tip vortex : x=0.53L 위치의 압력장 (왼쪽); x=L 위치의 압력장 (오른쪽)
표 평균 유동장에서 3차원 streamline를 통해 관찰한 wing tip vortex : x=0.53L 위치의 vorticity contour (왼쪽); x=L 위치의 vorticity contour (오른쪽)
표 Wing tip vortex의 주요 구성요소 : 손에서 발생하는 WTV1; 허벅지 바깥쪽에서 발생하는 WTV2; 허벅지 안쪽에서 발생하는 WTV3
표 활공 시 Reynolds 수에 따른 항력계수와 양력계수
표 활강자세 모델 풍동실험 구성
표 활강자세 모델의 Reynolds 수(ReH) 변화에 따른 항력계수(CD) 변화
표 3차원 유동구조 분석을 위한 유동장 측정 범위
표 ReH = 450,000 일 때 평균속도 벡터와 Reynolds shear stress contours
표 ReH = 450,000 일 때 순간속도 벡터와 vorticity contours
표 ReH = 450,000 일 때 순간속도 벡터와 vorticity contours
표 ReH = 450,000 일 때 순간속도 벡터와 vorticity contours
표 ReH = 360,000, 450,000 일 때 평균속도 벡터와 Reynolds shear stress contours
표 풍동실험을 통한 수치해석 결과 검증
표 활강 시 Center plane에서의 속도벡터: LES 계산(위쪽); PIV 측정(아래쪽)
표 활공자세 모델 풍동실험 구성
표 받음각 및 Reynolds 수 변화에 따른 활공모델의 항력계수, 양력계수, 양항비의 변화 양상
표 스키점프 활공 시 스키점프 선수의 받음각 및 자세 변화
표 3차원 유동구조 분석을 위한 유동장 측정 범위
표 ReL=1,066,666 일 때 속도벡터와 vorticity contours
표 ReL = 1,066,666 일 때 순간속도 벡터와 vorticity contours
표 풍동실험을 통한 수치해석 결과 검증
표 활강 시 유동 해석을 위한 조건
표 3차원 스캔 모델과 ray-casting 방법 개선 (a) 활강 모델; (b) 활공 모델; (c) 기존 ray-casting 방법; (d) 개선된 ray-casting 방법
표 활강 시 유동 해석을 위한 계산 영역 (a) Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS); (b) Large eddy simulation (LES)
표 활강 시 Reynolds 수에 따른 평균 항력 계수
표 측면 바람을 고려한 활공 시 계산을 위한 스키점프 선수와 스키의 y축 회전 (a) 스키점프 선수의 활공 속도와 측면 바람의 속도; (b) 스키점프 선수와 장비의 y축 회전
표 측면 바람을 고려한 활공 시 유동 해석을 위한 계산 영역
표 측면 바람을 고려한 활공 시 유동 해석을 위한 계산 조건
표 측면 바람을 고려한 활공 시 평균 항력, 양력 및 횡력 계수
표 선수 A와 선수 B의 활강 자세
표 선수 A와 선수 B의 각 부분별 평균 항력 면적과 평균 양력 면적
표 활공 시 측면 바람을 고려한 전체 항력 계수, 전체 양력 계수, 전체 횡력 계수
표 활공 시 측면 바람이 불 때 측면 바람 속도 대 활공 속도의 비(Us/U0)와 횡력 계수 대 항력 계수의 비(CS/CD)
표 활강자세 및 활공자세에 대한 PIV 측정 개략도
표 활강자세 xy 평면의 LES/PIV 유동장 비교
표 활강자세 yz 평면의 LES/PIV 유동장 비교
표 활공자세 yz 평면의 LES/PIV 유동장 비교
표 활강 자세 xy 평면의 LES/PIV 유동장 비교
표 활공 자세 xy 평면의 LES/PIV 유동장 비교
표 활강 시 순간 유동 구조와 표면 압력 분포 (a) λ2 = -1000; (b) 표면 압력 분포
표 활강 시 xy 평면에서의 순간 u contour, ωz contour 그리고 p contour (a) z/L = 0; (b) z/L = 0.2
표 활강 시 xz 평면에서의 순간 u contour, ωz contour 그리고 p contour (a) y/L = 0.2; (b) y/L = 0.42
표 활공 시 측면 바람을 고려한 순간 유동 구조와 표면 압력 분포(frontal view) (a) λ2 = -5000; (b) 표면 압력 분포
표 활공 시 측면 바람을 고려한 xz 평면(y = 0.1L)에서의 순간 유동장 (a) ωy; (b) p
표 측면 바람을 고려한 활공 시 xz 평면(y = -0.05L)에서의 순간 유동장 (a) ωy; (b) p
표 활공 시 측면 바람을 고려한 각 부분별 평균 항력, 양력 및 횡력 (LES)
표 스키점프 활공 자세 시 핵심 매개변수
표 최적화 실험에 사용한 모델과 관절을 삽입한 부분
표 활공자세 시 스키와 다리 사이의 각도(β)에 따른 공력성능 변화
표 활공자세 시 스키 사이의 각도(λ)에 따른 공력성능 변화
표 활공자세 시 스키가 수평면과 이루는 각도(φ)에 따른 공력성능 변화
표 선수 A를 3차원 스캔한 모델과 간단한 형상 모델링 (머리 – 구, 몸통 - 기울어진 얇은 판, 팔 - 원형 실린더, 다리 – 원형실린더, 스키 – 기울어진 얇은 판(수직방향) + 두꺼운 판(측면방향)
표 활공 시 선수 A의 각 부분별 평균 항력 명적과 평균 양력 면적 (LES vs. 간단한 형상 모델링)
표 선수 A의 3D 스캔 장면 및 풍동실험 모델
표 선수 A 신체치수에 따른 받음각별 최적자세 및 공력성능 변화
표 알펜시아 스키점프 경기장 라지힐 개략도
표 활공궤적 계산을 위한 힘평형 관계도 및 운동방정식
표 선수 A, 선수 B 기본자세에 대해 예측된 활공궤적 및 비거리
표 활공 시 각 부분별 평균 항력, 양력 및 양항비 (LES)
표 간단한 형상 모델링을 통한 항력과 양력 예측
표 활공 시 각 부분별 평균 항력과 양력 (LES vs. 간단한 형상 모델링)
표 간단한 형상 모델링을 통한 다리 및 스키 자세 최적화
표 기본자세와 최적화된 자세의 항력, 양력 및 양항비(LES)
표 활강 자세 시 핵심 매개변수
표 선수 A, 선수 B의 활공 비거리 최대화를 위해 개선된 활공자세
표 개선된 활공자세에 대해 예측된 활공 비거리 증가량
표 선수 C의 활공 비거리 최대화를 위해 개선된 자세와 예측된 비행궤적
표 선수 D의 활공 비거리 최대화를 위해 개선된 자세와 예측된 비행궤적
표 활강 시 선수 각 신체 부분들(머리, 몸통과 허벅지, 팔, 종아리, 발)과 자세를 결정하는 각도들(αLleg, αRleg, αLarm, αRarm, λLarm, λRarm): (a) 선수 A; (b) 선수 B
표 선수 A와 선수 B의 전체 항력 면적과 양력 면적 및 각 신체 부분별 항력 면적과 양력 면적
표 선수 B의 활강 자세 변화: (a) 자세 변화 1(종아리); (b) 자세 변화 2(몸통과 허벅지); (c) 자세 변화 3(팔)
표 기본 자세, 자세 변화 1(종아리), 자세 변화 2(몸통과 허벅지), 자세 변화 3(팔)의 각 신체 부분별 항력 면적과 양력 면적
표 스키점프 국가대표 선수 B의 최적 활공 자세 (3차년도 결과)
표 알펜시아 스키점프 경기장 라지힐 개략도
표 활공궤적 계산을 위한 힘평형 관계도 및 운동방정식
표 활강/활공 자세 최적화에 따른 비행거리 예측
표 활강 자세 고정 장치 (a) 설계도면; (b) 실제장치
표 활공 자세 고정 장치 (a) 스키 받침; (b) 선수 받침; (c) 전체 설계도면
표 풍동 측정 장비 성능
표 풍동 측정부 및 공력 측정용 외장 밸런스
표 선수의 몸에 고정된 안전 로프
표 대형풍동에 설치된 장치: (a) 활강 자세에 대한 양·항력 실측 장치; (b) 디스플레이 시스템
표 고정 plate의 장치 덮개와 실제 실험 모습
표 활공 자세의 힘 측정을 위한 장치 설치
표 활공 자세 시 선수 고정을 위한 안전장치
표 (a) 예비 실험을 수행한 활강 자세; (b) 유속 변화에 따른 CDA의 변화
표 (a) 예비 실험을 수행한 활강 자세 변화; (b) 자세 변화에 따른 CDA의 변화
표 (a) LES(상), PIV(하)를 통해 얻은 유동장; (b) 스모크 가시화 결과
표 (a) 스키 끝 간격(s); (b) 스키 사이 각도(λ)
표 스키 사이 각도(λ) 변화에 따른 CLA, CDA의 변화
표 (a) 스키 끝 간격(s) 변화에 따른 CLA의 변화; (b) 스키 끝 간격(s) 변화에 따른 CDA의 변화; (c) 스키 끝 간격(s) 변화에 따른 L/D의 변화
표 2014-15 시즌 경기에서 스키 끝 간격(s)에 따른 비행거리
표 대형풍동 활공 실험 시스템 모습
표 대형풍동 활공 실험 시 카메라로 촬영한 실제 이미지
표 국가대표 스키점프 대표팀 선수들의 기본자세
표 국가대표 노르딕 컴바인드 대표팀 선수들의 기본자세
표 활공 자세 시 s/L과 λ의 분포
표 활공 자세 시 λ 변화에 따른 양항비 분포
표 활공 자세 시 s/L 변화에 따른 양항비 분포
표 다양한 λ와 s/L 조합에 따른 CLA 분포
표 다양한 λ와 s/L 조합에 따른 CDA 분포
표 다양한 λ와 s/L 조합에 따른 양항비 분포
표 대형풍동 훈련 시스템 모습
표 선수 A의 활강-도약 자세 변화
표 선수 A의 활강-도약 시 양력, 항력의 변화
표 선수 B의 활강-도약 자세 변화
표 선수 B의 활강-도약 시 양력, 항력의 변화
표 선수 C의 활강-도약 자세 변화
표 선수 C의 활강-도약 시 양력, 항력의 변화
표 선수 A, B, C의 활강-도약 자세 비교
표 선수 A, B, C의 활강-도약 시 양력, 항력 비교
표 (a) schematic diagram; (b) 카메라의 배치도; (c) 실제 설치 모습; (d) 실제 촬영 모습
표 스키점프 선수 활공 시 자세 분석에 사용된 변수들
표 제 47회 대한스키협회장배 전국 스키점프대회 결과
표 (a) 스키점프 선수 활공 시 자세 분석에 사용된 변수들 (B. Schmölzer et al., 2005); (b) 실제 측면에서 촬영한 선수 A 촬영 모습
표 (a) 활공 시의 선수들의 받음각(α) 변화; (b) 활공 시의 선수들의 하체와 스키 사이의 각도(β) 변화
표 (a) 활공 시의 선수들의 스키 사이의 각도(λ) 변화; (b) 활공 시의 선수들의 스키 길이로 무차원화한 스키 사이의 거리(s/l) 변화
표 (a) 활공 시의 선수들의 받음각(α) 변화; (b) 활공 시의 선수들의 하체와 스키 사이의 각도(β) 변화
표 (a) 활공 시의 선수들의 스키 사이의 각도(λ) 변화; (b) 활공 시의 선수들의 스키 길이로 무차원화한 스키 사이의 거리(s/l) 변화
표 3차와 8차 활공 시 선수 C의 자세 변화; (a) 하체와 스키 사이의 각도(β) 변화; (b) 스키 사이의 각도(λ) 변화; (c) 스키 길이로 무차원화한 스키 사이의 거리(s/l) 변화;
표 선수 C의 활공자세 변화에 따른 활공 비거리 증가량
표 동영상 초기조건 설정 Code
표 동영상 내 비행선수 추출 Code
표 선수를 제외한 배경 제거 Code
표 분석 대상 프레임 선별 Code
표 선수 자세 추출 Code
표 알고리즘 수행 결과
표 훈련 세션 피드백을 통한 경기력 향상 계획도
표 개발된 유동해석 기법을 활용한 학문적/산업적 응용 예시: (a) 2차원 실린더 주위의 유동해석; (b) 상승하는 기포 주위의 유동해석; (c) 직교류팬 내부의 PIV 해석; (d) 축류팬 주위의 와류구조

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