Flow visualisation of downhill skiers using the lattice Boltzmann method
Flow visualisation of downhill skiers using the lattice Boltzmann method
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使用格子玻尔兹曼方法对速降滑雪者的流动进行可视化
DOI：
10.1088/1361-6404/38/2/024002
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发表时间：
2017
影响因子：
0.7
通讯作者：
Sungchan Hong and Koichi Ijuin
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Takeshi Asai;Sungchan Hong and Koichi Ijuin
在高山速降滑雪中，滑雪者的速度通常超过120 km h− 1，空气阻力会大大影响总的比赛时间。到目前为止，高山滑雪中的空气阻力研究已经使用风洞和实际滑雪者来检查滑行姿势和阻力大小之间的关系，并用于滑雪设备的设计。然而，这些研究并没有揭示滑雪者周围的流速分布和旋涡结构。在本研究中，计算流体动力学与格子Boltzmann方法推导出总阻力和周围的流动速度之间的关系，在全抱膝位置的下坡滑雪者。此外，绕下坡滑雪者的流动是可视化的，其涡结构进行了检查。结果表明，下坡滑雪者模型中的总阻力在流速为15 ms− 1时为27.0 N，在流速为40 ms− 1时增加到185.8 N。从阻力分布和流动剖面的分析，头部，上臂，小腿和大腿（包括臀部）被确定为对速降滑雪者的主要阻力源。基于这些结果，设计适合和设备，以减少阻力从每个位置应该是重点的研究和开发滑雪设备。本文介绍了一个试点研究，介绍了物理或工程专业的本科生进入这一研究领域。这项研究的结果是容易理解的本科生。
In downhill alpine skiing, skiers often exceed speeds of 120 km h− 1, with air resistance substantially affecting the overall race times. To date, studies on air resistance in alpine skiing have used wind tunnels and actual skiers to examine the relationship between the gliding posture and magnitude of drag and for the design of skiing equipment. However, these studies have not revealed the flow velocity distribution and vortex structure around the skier. In the present study, computational fluid dynamics are employed with the lattice Boltzmann method to derive the relationship between total drag and the flow velocity around a downhill skier in the full-tuck position. Furthermore, the flow around the downhill skier is visualised, and its vortex structure is examined. The results show that the total drag force in the downhill skier model is 27.0 N at a flow velocity of 15 ms− 1, increasing to 185.8 N at 40 ms− 1. From analysis of the drag distribution and the flow profile, the head, upper arms, lower legs, and thighs (including buttocks) are identified as the major sources of drag on a downhill skier. Based on these results, the design of suits and equipment for reducing the drag from each location should be the focus of research and development in ski equipment. This paper describes a pilot study that introduces undergraduate students of physics or engineering into this research field. The results of this study are easy to understand for undergraduate students.
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