cfd仿真技术在游泳运动力学问题研究中的应用

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1、CFD仿真技术在游泳运动力学问题研究中的应用CFD仿真技术在游泳运动力学问题研究中的应用CFD仿真技术在游泳运动力学问题研究中的应用CFD仿真技术在游泳运动力学问题研究中的应用CFD仿真技术在游泳运动力学问题研究中的应用CFD仿真技术在游泳运动力学问题研究中的应用CFD仿真技术在游泳运动力学问题研究中的应用CFD仿真技术在游泳运动力学问题研究中的应用CFD仿真技术在游泳运动力学问题研究中的应用CFD仿真技术在游泳运动力学问题研究中的应用　　【摘要】：针对游泳运动中关键的推进力和行进阻力力学问题，采用传统的试验研究方法具有成本高、可重复性低、无法解释本质机理等局限性。CFD仿真技术

2、作为一种高效的流体问题研究手段，已经被国内外学者广泛应用于处理此类问题中。通过综合分析、归纳近20年来国内外关于CFD在游泳运动中应用的文献报道，从CFD仿真技术的特点及基本步骤出发，总结了实施该技术处理推进力和行进阻力问题的手段与成果，并探讨了相关的发展趋势，为我国游泳科研学者运用CFD仿真技术提供借鉴。　　【关键词】：运动力学；CFD;仿真；游泳　　1、引言　　　　流体及流固耦合作用对体育竞技项目，尤其是竞速和球类运动，具有较大的影响，在某些情况下甚至占主导地位。葛新发等人，综述了国内外流体力学在体育运动中的研究进展情况，总结当前主要的两种研究手段为试验研究和计算流体力学（C

3、omputationalFluidDynamics,CFD）[3];PETERS汇编了计算流体力学在快艇、游泳、滑雪、足球及橄榄球运动中的研究报告[26];HANNA简单阐述了近20年商业CFD软件在体育运动项目、体育场建造及体育装备设计中的应用情况[14].上述对体育运动中流体的研究，主要可以归纳为运动中的流体特性这一科学性问题及流体对运动员成绩影响这一技术性问题两方面。　　体育运动中流体问题试验研究的理论基础是相似性原理，其对研究对象的试验模型构建要求比较苛刻[2].图1显示，为了能使试验模型能精确反映真实情况，对试验设备（主要是风洞或水槽及相关的测试系统）的自身精度要求比较

4、高，设备投入大且操作复杂；由于研究人员主观操作和环境的影响的误差，同一对象的多个试验结果一般可重复性比较差。此外，试验研究往往只能获得模型的流体力学特性数据，而对模型与流体间的力作用本质机理的科学性问题无法解释。得益于流体力学理论、数值计算方法、计算机工程及数值模拟技术的发展，CFD仿真渐渐成为了分析流体力学问题的主要工具[12,14,15].它主要以高速计算机和流体分析软件为基础，成本较低；而由于能对分析几何模型进行任意的重构或修正，可重复性高；此外，在CFD仿真的基本步骤中，步骤1充分利用了流体力学理论，通过交互式界面定义研究对象及流体特性，步骤2将流体运动控制方程求解问题转

5、化为3数值计算方法，而步骤3则实时将分析结果可视化，直观表现复杂现象。因此，CFD仿真可以模拟和解释流体运动的本质性问题。CFD可以作为试验研究的补充，用来帮助解释或确认试验结果无法揭示的物理现象。对于一般流体问题，若试验对象及其与流体的作用过程比较简单，则CFD仿真分析完全可以代替试验研究，以弥补后者的局限性；而对于较复杂情况，流体特性不容易估计，仅利用CFD技术容易产生错误，此外，步骤2中离散解获得过程中可能有计算误差累积或放大，因此又需要通过相应的试验研究进行CFD仿真分析准确性验证[13,15].　　从运动生物力学角度来讲，在游泳竞技项目中，提高运动员成绩的主要因素包括：

6、1）提高游泳推进力；2）降低水流阻力。两者的协调平衡，不仅能提高行进速度，还能减少运动员生理机能损耗[1,10].游泳运动中的力学问题与流体（水流）密切相关，试验方法能够比较容易判断和揭示影响游泳速度能力的因素，逐步探索提高游泳成绩的规律[9],但是工作量及自身局限性较大[16,33].文献[6]总结了对游泳中阻力和推进力问题的定性分析方面的研究成果，而未涉及对CFD的应用的介绍。早在1996年，Bixer和Schloder就认为，CFD技术将是21世纪游泳科学家对游泳运动进行分析研究的另一工具[12].鉴于高速计算机的发展，他们认为，CFD将有9大潜在应用领域（表1），随后，游

7、泳运动科技人员开展了广泛、深入研究。本研究将从游泳推进力和行进阻力这两个力学问题就近20年国内、外学者对CFD仿真技术在游泳运动中的应用进行总结综述，并概括未来的研究展望，为我国学者开展这方面的研究提供一定的基础。　　　　2、游泳推进力　　　　手掌划水时，流水流经手掌面的速度降低，手掌面压强增大，而流水经过手背面的速度增大，故手背面的压强减小，两者的压差即形成了水流对迎面而来的手掌面的作用力，这个力即为游泳推进力[1].在人体行进方向及其垂直方向，推进力可以分解成游泳阻力和游泳升