CFD仿真技術(shù)在游泳運動力學(xué)問題研究中的應(yīng)用,體育理論論文

CFD仿真技術(shù)在游泳運動力學(xué)問題研究中的應(yīng)用,體育理論論文【內(nèi)容摘要】：針對游泳運動中關(guān)鍵的推進(jìn)力和行進(jìn)阻力力學(xué)問題，采用傳統(tǒng)的試驗研究方式方法具有成本高、可重復(fù)性低、無法解釋本質(zhì)機理等局限性。CFD仿真技術(shù)作為一種高效的流體問題研究手段，已經(jīng)被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于處理此類問題中。通過綜合分析、歸納近20年來國內(nèi)外關(guān)于CFD在游泳運動中應(yīng)用的文獻(xiàn)報道，從CFD仿真技術(shù)的特點以及基本步驟出發(fā)，總結(jié)了施行該技術(shù)處理推進(jìn)力和行進(jìn)阻力問題的手段與成果，并討論了相關(guān)的發(fā)展趨勢，為我們國家游泳科研學(xué)者運用CFD仿真技術(shù)提供借鑒?！颈疚年P(guān)鍵詞語】：運動力學(xué)；CFD;仿真；游泳1、引言流體及流固耦合作用對體育競技項目，尤其是競速和球類運動，具有較大的影響，在某些情況下甚至占主導(dǎo)地位。葛新發(fā)等人，綜述了國內(nèi)外流體力學(xué)在體育運動中的研究進(jìn)展情況，總結(jié)當(dāng)下主要的兩種研究手段為試驗研究和計算流體力學(xué)〔ComputationalFluidDynamics,CFD〕[3];PETERS匯編了計算流體力學(xué)在快艇、游泳、滑雪、足球及橄欖球運動中的研究報告[26];HANNA簡單闡述了近20年商業(yè)CFD軟件在體育運動項目、體育場建造及體育裝備設(shè)計中的應(yīng)用情況[14].上述對體育運動中流體的研究，主要能夠歸納為運動中的流體特性這一科學(xué)性問題及流體對運發(fā)動成績影響這一技術(shù)性問題兩方面。體育運動中流體問題試驗研究的理論基礎(chǔ)是類似性原理，其對研究對象的試驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建要求比擬苛刻[2].圖1顯示，為了能使試驗?zāi)Ｐ湍芫綔?zhǔn)確反映真實情況，對試驗設(shè)備〔主要是風(fēng)洞或水槽及相關(guān)的測試系統(tǒng)〕的本身精度要求比擬高，設(shè)備投入大且操作復(fù)雜；由于研究人員主觀操作和環(huán)境的影響的誤差，同一對象的多個試驗結(jié)果一般可重復(fù)性比擬差。除此之外，試驗研究往往只能獲得模型的流體力學(xué)特性數(shù)據(jù)，而對模型與流體間的力作用本質(zhì)機理的科學(xué)性問題無法解釋。得益于流體力學(xué)理論、數(shù)值計算方式方法、計算機工程及數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，CFD仿真漸漸成為了分析流體力學(xué)問題的主要工具[12,14,15].它主要以高速計算機和流體分析軟件為基礎(chǔ)，成本較低；而由于能對分析幾何模型進(jìn)行任意的重構(gòu)或修正，可重復(fù)性高；除此之外，在CFD仿真的基本步驟中，步驟1充分利用了流體力學(xué)理論，通過交互式界面定義研究對象及流體特性，步驟2將流體運動控制方程求解問題轉(zhuǎn)化為3數(shù)值計算方式方法，而步驟3則實時將分析結(jié)果可視化，直觀表現(xiàn)復(fù)雜現(xiàn)象。因而，CFD仿真能夠模擬和解釋流體運動的本質(zhì)性問題。CFD能夠作為試驗研究的補充，用來幫助解釋或確認(rèn)試驗結(jié)果無法揭示的物理現(xiàn)象。對于一般流體問題，若試驗對象及其與流體的作用經(jīng)過比擬簡單，則CFD仿真分析完全能夠代替試驗研究，以彌補后者的局限性；而對于較復(fù)雜情況，流體特性不容易估計，僅利用CFD技術(shù)容易產(chǎn)生錯誤，除此之外，步驟2中離散解獲得經(jīng)過中可能有計算誤差累積或放大，因而又需要通過相應(yīng)的試驗研究進(jìn)行CFD仿真分析準(zhǔn)確性驗證[13,15].從運動生物力學(xué)角度來講，在游泳競技項目中，提高運發(fā)動成績的主要因素包括：1〕提高游泳推進(jìn)力；2〕降低水流阻力。兩者的協(xié)調(diào)平衡，不僅能提高行進(jìn)速度，還能減少運發(fā)動生理機能損耗[1,10].游泳運動中的力學(xué)問題與流體〔水流〕密切相關(guān)，試驗方式方法能夠比擬容易判定和揭示影響游泳速度能力的因素，逐步探尋求索提高游泳成績的規(guī)律[9],但是工作量及本身局限性較大[16,33].文獻(xiàn)[6]總結(jié)了對游泳中阻力和推進(jìn)力問題的定性分析方面的研究成果，而未牽涉對CFD的應(yīng)用的介紹。早在1996年，Bixer和Schloder就以為，CFD技術(shù)將是21世紀(jì)游泳科學(xué)家對游泳運動進(jìn)行分析研究的另一工具[12].鑒于高速計算機的發(fā)展，他們以為，CFD將有9大潛在應(yīng)用領(lǐng)域〔表1〕，隨后，游泳運動科技人員開展了廣泛、深切進(jìn)入研究。本研究將從游泳推進(jìn)力和行進(jìn)阻力這兩個力學(xué)問題就近20年國內(nèi)、外學(xué)者對CFD仿真技術(shù)在游泳運動中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)綜述，并概括將來的研究瞻望，為我們國家學(xué)者開展這方面的研究提供一定的基礎(chǔ)。2、游泳推進(jìn)力手掌劃水時，流水流經(jīng)手掌面的速度降低，手掌面壓強增大，而流水經(jīng)過手反面的速度增大，故手反面的壓強減小，兩者的壓差即構(gòu)成了水流對迎面而來的手掌面的作用力，這個力即為游泳推進(jìn)力[1].在人體行進(jìn)方向及其垂直方向，推進(jìn)力能夠分解成游泳阻力和游泳升力兩個分力，分別為：FD=1/2CDAv〔1〕FL=1/2CLAv〔2〕華而不實，F(xiàn)D、FL分別為運動阻力和升力，CD、CL分別為推進(jìn)阻力和升力系數(shù)，A為劃水肢體的迎水面積，v為水流速度。利用CFD進(jìn)行人體游泳進(jìn)行的仿真試驗研究，當(dāng)前主要集中在人體手掌/臂的推進(jìn)動力〔FD和FL〕、推進(jìn)系數(shù)〔CD和CL〕的量化評估和人體手掌/臂的理想劃水動作研究。結(jié)合圖1中CFD模擬基本步驟，已有的研究[4,5,8,12,13,17,21-23,29,31]主要在研究對象、人體建模方式、網(wǎng)格劃分及水流特性、數(shù)值求解器的設(shè)置上存在差異〔表1〕。就CFD應(yīng)用歷程來看，CFD仿真經(jīng)歷了建模更精致細(xì)密、網(wǎng)格劃分更靈敏、水流特性更復(fù)雜的發(fā)展趨勢。考慮到自由泳游進(jìn)經(jīng)過中手部內(nèi)、外劃水經(jīng)過中不同的速度及加速度組合，Bixler和Schloder以與人手對水面積一樣的圓盤為研究對象，采用CFD模擬了在平穩(wěn)流動及加速流動水體中的圓盤附近水流的流動特性，發(fā)現(xiàn)手部加速情況下的推進(jìn)力較平穩(wěn)運動情況下的增加了近40%.這個結(jié)果正好解釋了為什么自由泳比賽中運發(fā)動一開場就要加速手部劃水[12].而針對游泳中劃水時手指應(yīng)該張開與否的分歧，王新峰和王連澤引入CFD模擬，通過建立圓盤加圓柱體的手掌簡化模型，先后計算了手指分別張開不同角度及不同劃水攻角時對應(yīng)的推進(jìn)阻力和阻力系數(shù)，計算結(jié)果表示清楚，手指張開角度越大其推進(jìn)阻力和阻力系數(shù)越小[5].上述兩個研究中，通過幾何近似對人體劃水部分的建模進(jìn)行了簡化處理，其結(jié)果難免存在誤差。隨著三維建模和掃描成型技術(shù)的發(fā)展，對人體特征的描繪敘述與建模越來越精到準(zhǔn)確〔圖2〕。在進(jìn)行CFD分析時，對研究對象的建模愈加趨近實際情況。Bixler和Riewald建立了五指并攏情況下手掌及前臂模型，選取二階非平衡壁面函數(shù)為邊界條件，利用CFD中的fluent程序獲得了手、臂附近的流體力系數(shù)及其在空間中的受力情況，仿真分析結(jié)果與已有的實驗數(shù)據(jù)特別類似[11].Sato和Hino引入了求解不可壓Navier-Stokes方程的有限體積法，模擬在穩(wěn)流和變速流體中推進(jìn)時運發(fā)動手臂附近的流體運動情況，以此來預(yù)測運發(fā)動推進(jìn)力變化并優(yōu)化最佳自由泳動作。除此之外，研究中還就兩位運發(fā)動劃水途徑的三維道路數(shù)據(jù)對手臂受力進(jìn)行了分析[31].國內(nèi)的康宏琳、袁武等建立了某女運發(fā)動手掌和前臂在五指并攏和分開兩種手形的三維非構(gòu)造網(wǎng)格模型，計算了90攻角劃水時兩種手形的手掌和前臂在不同來流速下的推進(jìn)阻力、升力及其系數(shù)值，根據(jù)計算結(jié)果對手周圍的流場進(jìn)行了分析，研究了不同手形對游泳推進(jìn)效率的影響。結(jié)果表示清楚，在90攻角劃水時五指并攏具有更高層次推進(jìn)效率[4].在這里基礎(chǔ)上，他們通過模擬不同來流速度和攻角下的游泳推進(jìn)問題，發(fā)如今各個攻角狀態(tài)下手并攏劃水均能獲得更高層次的推進(jìn)效率[8];Minetti和Machtsiras等人，利用掃描建模得到的手掌模型進(jìn)行了CFD模擬劃水實驗，發(fā)現(xiàn)一樣劃水速度下手指閉合時手掌反面為回流，而指尖夾角為12時手反面構(gòu)成渦流，手掌兩面的壓差最大，故劃水推進(jìn)力最大[23];Marinho和Rouboa等人，進(jìn)行了類似的研究，他們討論的是拇指張開、微張和閉合的情況下，不同位置的手掌〔攻角分別為0、45和90，后掠角均為0〕在穩(wěn)流中劃水時手掌附近的水流的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，他們以為小攻角情況下拇指張開更適宜，而在大攻角時，拇指并攏更佳，由于這樣阻力較小[21].后來，他們采用同樣的方式方法研究了手指間0.00cm、0.32cm和0.64cm張開情況下的推進(jìn)力情況，此時，升力系數(shù)與攻角大致成正弦變化規(guī)律，手指并攏情況下阻力系數(shù)最小，但是，五指微微張開卻有助于產(chǎn)生更大的推進(jìn)力，這也講明了高速游進(jìn)情況下手指分開劃水技術(shù)的可行性[17].Gardano和Dabnichki采用CFD模擬和風(fēng)洞試驗測試相結(jié)合的方式方法，研究了自由泳游進(jìn)經(jīng)過中前臂對水攻角和肘部與上臂夾角對水流特性的影響。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)劃水前臂對水攻角由40向100增加時，升力系數(shù)降低而阻力系數(shù)增大，不利于游泳速度的提高[13];Rouboa和Silva等人先利用CFD計算了穩(wěn)流中手掌和前臂附近水流推進(jìn)阻力和推進(jìn)升力系數(shù)值，進(jìn)而評價了劃水加速度對這兩系數(shù)的影響，即整個勻速劃水動作經(jīng)過，推進(jìn)阻力對推進(jìn)的奉獻(xiàn)最大，推進(jìn)阻力系數(shù)幾乎保持不變，而加速劃水時，推進(jìn)力增加近22.5%[29];與Rouboa使用的二維模型不同，Marinho建立了手掌和前臂的三維模型，經(jīng)過類似的研究，還發(fā)現(xiàn)了推進(jìn)阻力系數(shù)在肘部夾角為45時最大[22].綜上，當(dāng)前CFD仿真在游泳推進(jìn)力方面的研究主要集中在手掌、臂，對于腿部、腰部及整個身體劃水部位的協(xié)調(diào)配合及其影響并未展開分析。3、游泳行進(jìn)阻力游泳運發(fā)動推進(jìn)時，行進(jìn)方向的層流變成湍流，水流阻礙游泳運發(fā)動移動的作用力即為行進(jìn)阻力，其方向與游進(jìn)方向相反。行進(jìn)阻力主要由人體特性、游泳裝備、水流特性及游泳技術(shù)決定[15].根據(jù)阻力性質(zhì)不同，行進(jìn)阻力主要包括摩擦阻力、形狀阻力〔壓差阻力〕和波浪阻力[7,27,30].根據(jù)身體運動與否，阻力又可分為靜態(tài)阻力和動態(tài)阻力。已有的研究[13,14,18-20,25,27,28,32,34,35]主要集中在身體在水下以某一固定或較小變化的姿勢方式滑行時水流對人體的靜態(tài)阻力，以及此經(jīng)過中三種形式阻力占總阻力的權(quán)重。靜態(tài)行進(jìn)阻力知足算式〔1〕。表3列舉了行進(jìn)阻力影響因素及對應(yīng)的部分研究文獻(xiàn)，當(dāng)前關(guān)于人體特性對行進(jìn)阻力的影響的研究最多，而其他方面研究較少。Gardano和Dabnichki發(fā)現(xiàn)肘部與上臂夾角變化時，阻力系數(shù)最大可相差40%,而在該角度為160時，阻力最大，這就是為什么自由泳劃水經(jīng)過中手部不完全伸展的原因[13].Zaidi等人，利用CATIA軟件建立人體二維測試圖，采用GAMBIT劃分矩形泳池的三角非構(gòu)造網(wǎng)格，即鄰近身體的水流網(wǎng)格較密集，遠(yuǎn)離人體的區(qū)域處網(wǎng)格較稀疏〔圖3〕，通過FLUENT求解穩(wěn)態(tài)非壓縮流體的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型方程，發(fā)現(xiàn)3種人頭部位置〔高于、平行及低于人身體〕對低速〔不大于1.4m/s〕滑行幾乎沒有影響，而對高速滑行時，頭部平行于身體時阻力比其他兩種情況至少低20%[35];針對上述所建二維模型的局限性，Zaidi進(jìn)行了改良，他們選擇利用激光掃描技術(shù)獲得人體的三維幾何模型，并利用TGRID劃分對應(yīng)的變構(gòu)造水域三維網(wǎng)格〔圖4〕，考慮外表水剪切阻力影響，仿真發(fā)現(xiàn)外表剪切阻力隨著人體與水流相對速度的增大而增大，人體外表幾何復(fù)雜位置，如頭部、肩膀、胸部和臀部等處的剪切壓力較其他部位更大[28];考慮到以往的研究中主要利用的流體模型為k-ε湍流模型[11,12,28,30,35],Zaidi等人，又利用軟件FLUENT對基于標(biāo)準(zhǔn)k-和k-ε的湍流模型下人體運動阻力進(jìn)行了比擬仿真，發(fā)現(xiàn)前者的預(yù)測模型更接近于實驗值，而后者的偏小。除此之外，標(biāo)準(zhǔn)k-湍流模型可以以用來描繪敘述行進(jìn)經(jīng)過中人體臀部和背部處渦流的分布情況[34].Marinho等人，利用人體二維模型和FLUENT軟件模擬了人體俯臥手臂側(cè)放、俯臥手臂前伸、仰臥手臂前伸及側(cè)移手臂前伸在穩(wěn)流中劃水時的行進(jìn)阻力系數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)手臂前伸情況下，阻力影響更小[19];隨后，他們建立人體的三維模型，討論了俯臥手臂側(cè)放和俯臥手臂前伸情況下的摩阻、形阻和波阻在總阻力中的權(quán)重關(guān)系。對于任何滑行速度，手臂前伸時阻力系數(shù)較手臂側(cè)放時小，而形阻占阻力份額最大〔手臂前伸：92%,手臂側(cè)放：87%〕，摩阻大小幾乎一樣[20].這與后來他們進(jìn)行二維分析[18]時所得的結(jié)論類似。Novais等人，考慮了3種滑行速度〔1.5m/s、2.0m/s和2.5m/s〕下人體水下深度對滑行特性的影響，在水外表〔深度為零〕滑行時阻力最小，由于此時前進(jìn)方向人體與水體的正面接觸面積較小，故形阻和摩阻較小。在深度為0.25m時，阻力和阻力系數(shù)到達(dá)最大，此時三種形式阻力的協(xié)同影響最大。而隨著深度的進(jìn)一步增加，阻力又呈下降趨勢，但是鑒于深度對推進(jìn)力和運發(fā)動體力的影響，作者最后建議將深度控制在0.75m以內(nèi)[25].上述研究討論的都是單個運發(fā)動游泳時的水流特性，在實際比賽或一般游泳活動中，存在兩人在前進(jìn)方向相隔的情況，對此，Sliva利用二維CFD模擬的方式方法，討論了兩人間距對游泳成績和水流特性的影響[32].當(dāng)兩人間距0.50~6.00m時，領(lǐng)先運發(fā)動的阻力系數(shù)隨之水流速度的增大而減小，而落后的運發(fā)動處的阻力系數(shù)約為前者的56%,而當(dāng)兩人相距6.45~8.90m時，水流對前后兩人的阻力系數(shù)一樣。另外，先進(jìn)的游泳裝備〔泳衣、泳帽等〕主要是通過減少人體與水流間摩擦來減少水流阻力的影響。與常規(guī)的試驗方式方法[24]不同，CFD技術(shù)通過仿真分析身體附近水流速度和方向來評價不同泳衣材質(zhì)的特性。利用FLUENT開發(fā)的LZRRacer泳衣的水中靜阻較其他泳衣的減少了5%,在其問世9個月內(nèi)讓運發(fā)動打破超過70項世界記錄[14].4、總結(jié)與瞻望CFD仿真技術(shù)能對游泳運動的技術(shù)指導(dǎo)及相關(guān)的流體科學(xué)性問題進(jìn)行了很好的解釋，它避免了試驗研究經(jīng)過中成本高、操作復(fù)雜、可重復(fù)性低等局限，又充分利用流體力學(xué)理論，是當(dāng)下解決游泳流體問題的很好的工具?？v觀近20年CFD在游泳運動中的應(yīng)用情況，除已有的研究方向進(jìn)行拓展深切進(jìn)入外，作者建議將來在下面幾個方面開展研究：1.CFD仿真應(yīng)用于游泳運動時的最優(yōu)模型建立、網(wǎng)格劃分和流-固雙向耦合分析等技術(shù)。2.表1中所列的當(dāng)前尚未見報道的應(yīng)用方面：游泳經(jīng)過中人體各部分干擾對游泳表現(xiàn)的影響評價，平直加、減速及換