Как 3D-сканер помогает бороться с аэродинамическим сопротивлением

Кейс: какое отношение имеют 3D-сканеры к вычислительной гидродинамике в спорте
Кратко: Компания Hale Dynamics, которая разрабатывает индивидуальные тренировки для спортсменов, применила 3D-сканер Calibry для оцифровки гонщиков в целях аэродинамического анализа.
Задача: Уменьшение аэродинамического сопротивления, что, как следствие, приведет к росту эффективности атлета.
Инструменты: 3D-сканер Calibry, программное обеспечение OpenFOAM (программное обеспечение с открытым исходным кодом для вычислительной гидродинамики), рулетка, цифровой датчик угла и уровни.
Полученный результат: Увеличение скорости гонщика за счет улучшения аэродинамики.

В спорте высших достижений важна каждая деталь, и порой секунды могут предрешить победу, либо поражение. Велосипедные гонки на время, триатлон и шоссейные гонки — дисциплины, в которых правила игры определяет аэродинамика. Таким образом, очень важно оптимизировать экипировку и позу гонщика.

Данная статья написана при поддержке Hale Dynamics, компании, которая применяет вычислительную гидродинамику (CFD) к анализу велосипедистов с целью повышения их производительности.

Аэродинамическое сопротивление — самая большая сила, замедляющая спортсмена во время гонки, притом самый большой вклад вносит сам гонщик. Было подсчитано, что около 80% общего сопротивления создаётся спортсменом. Кроме того, аэродинамическое сопротивление увеличивается по мере увеличения скорости, поэтому гонщику приходится прилагать больше усилий, чтобы «продвигаться сквозь воздух».

С помощью 3D-технологий и CFD- моделирования эффективность гонщика может быть увеличена. В целом подобный сеанс может быть разбит на следующие шаги:

1. Специалист измеряет велосипед клиента рулеткой, цифровым угломером и уровнями. Он также фотографирует изначальное положение гонщика.
2. Затем он сканирует гонщика в исходном положении с помощью 3D-сканера Calibry.
3. Корректирует положение гонщика, основываясь на опыте и пожеланиях клиента.
4. Делает замеры и фотографирует новое положение.
5. Сканирует гонщика в новом положении.
6. Повторяет шаги 3, 4, 5 несколько раз. Количество итераций зависит от того, насколько быстро удаётся найти предварительную оптимальную позицию, а также от времени и стоимости сеанса.
7. Клиент уходит с предварительными рекомендациями.
8. Специалист приступает к постобработке сканов и при необходимости очищает геометрию. Этот шаг является одним из самых важных, поскольку качество данных определяет точность анализа. На этом этапе важны хорошая геометрия и аккуратная очистка.

9. Теперь специалист выполняет анализ для каждой отсканированной позы, чтобы получить коэффициент сопротивления (CdA). Моделирование выполняется в программе OpenFOAM (программное обеспечение с открытым исходным кодом для вычислительной гидродинамики) с применением индивидуальных разработок.

а) Первым шагом является создание меша (сетки) гидродинамической области (fluid domain). Используется преимущественно шестигранная сетка, представляющая виртуальную аэродинамическую трубу (от внешней стороны гонщика до стен туннеля). Гексаэдрическая (шестигранная) сетка предпочтительнее тетраэдрической (пирамидальной) сетки в целях повышения эффективности анализа. Этот шаг требует хорошей геометрии — например, инвертированные ячейки меша и внутренние элементы могут вызвать проблемы с сеткой!

б) После построения области расчётов можно выполнять анализ, который обычно занимает от 10 минут до нескольких часов в зависимости от требуемой сложности.

10. Наконец, гонщику предоставляются отчётные изображения и сравнительный анализ прогнозируемых скоростей и изменений оборудования, которые помогут ему повысить эффективность.

Около 80% общего аэродинамического сопротивления создается спортсменом. Используя 3D-технологии, Hale Dynamics предлагает гонщикам точный и индивидуальный анализ, который позволяет им уменьшить сопротивление и оптимизировать нагрузки.