CFD与奥运会

北京时间7月31日下午，国际奥委会第128次全会在吉隆坡举行，投票选出2022年冬奥会举办城市，经过85位国际奥委会委员的投票，国际奥委会主席巴赫正式宣布：北京张家口获得2022年冬奥会举办权，我国必将又会迎来一轮新的奥运热潮。CFD作为一门应用广泛的学科，在体育运动中特别是竞技体育比赛中也同样发挥着重要的作用。

CFD在体育器材性能研究中的应用

随着体育水平的不断提高，特别是在奥运赛场上，运动员的水平都在伯仲之间，体育比赛的胜负差距非常微小，为了在比赛中获得胜利，不得不为提高器材的性能投入大量的资金。体育器材的流体动力性能越来越重要，越来越多的优秀运动员、运动队以及体育设备制造商们都在努力从先进的流体模型中获取比赛空气动力的有利条件，越来越多的体育器材外形的研究成果逐渐为人们所认可。

赛车

上世纪90年代初期，开始成功应用于竞技体育项目中，当时F1车队为了提高他们赛车的空气水动力性能，开始采用商业CFD软件包。目前，这一方法正日益受到重视， 并在F1发挥出它的优势，成为F1设计中有效的、先进的现代设计方法。

F1是一个CFD市场需求很大的体肓项目，为了获取胜利，适应不同的赛道，赛车都需要不同的空气动力外观布局。在F1的设计过程中，过去往往只能采用采用昂贵的风洞试验，但是由于时间的限制，不可能进行大量的试验。因此，设计师们开始采用数值模拟试验，由于能够便宜及其便捷地模拟模型的数量远远多于风洞实验的数量，这就意味着可以在大最的模拟实验中选出2个最好性能的外观车型在进行风洞试验，大大节省费用和时间。这种设计方法改变赛车的空气动力设计过程。

大帆船

在体育界得到成功应用的另外一个例子是帆船的设计。为了夺取美洲杯，新西兰在1996^2000年运用CFD技术，对使用的帆船进行了全新的设计，为蠃得比赛创造了条件。 具有挑战性的工作是要在规则允许的范围内，对帆船的龙骨和附属物进行重新设计，已获得在不同海况条件下具有最好的性能。新西兰队和其他的帆船队都在探索使用去评估不同的风帆外型以寻求最佳的推进效益。

自行车

自行车伴随的流动现象是CFD技术应用于奥运项目中的另一个焦点。CFD在自行车的研究应用非常广泛，包括头盔的空气动力性能设计，选手骑行的姿势，队式追逐赛中的最佳队型等等，然而，在横风中，选手们对后轮的选择尚未达成共识。在有风的条件下，前轮未采用盘状车轮，其后轮是选择盘状还是辐条状车轮仍未确定，人们推测在一定条件下盘状车轮的作用像一面帆可以产生一个与阻力方向相反的前进力，因而减少了选手骑行时的净阻力。虽然许多选手还是了采用盘状后轮，但是很少有明确材料来证明这个事实。在自行车研究应用中，采用CFD技术确实可以获得风洞实验不容易获取的自行车的形状阻力、表面摩擦阻力、自行车以及选手之间的相互千扰的信息。

球类项目

在体育方面的另外一个令人振奋的应用是球类的模拟。CFD软件被用于模拟球的不同类型表面粗糙度以及球的旋转度的影响。当一个轨迹计算程序和模拟联合计算的时候，对于给定初始条件下球的飞行路径就可以被预测了，虽然流动现象是全部体育用球动力学难题中的一个，但是采用CFD使得这个复杂问题得到解决有了可能。美式橄榄球的研究表明：球表面的网眼花边对于旋转球的湍流边界层及不稳定的飞行轨迹起着至关重要的影响。除此以外，有关足球的一项研究表明：边界层从层流到湍流的过渡是影响球在飞行轨迹唯一的最重要的因素，球的大幅度横向运动就是为了平衡力的突然变化。

赛艇

我国水上运动器材的研究起始于上世纪80年代中期，近20年来，主要开展了赛艇、皮划艇等项目的器材性能的数值模拟。通过对赛艇船艇和桨叶的数值模拟，了解了各种参数如桨叶的浸水深度、拉桨幅度、倾角、频率等因素对拉桨效能的影响，为国家队改进技术提供了依据。

CFD在运动员技能训练研究中的应用

CFD不仅可以研究体育运动器械等硬件设备，还可以对运动员的运动技巧进行分析，针对不同运动员的自身条件，通过计算分析，制定更为科学量化的竞技动作和训练内容。

游泳

美国奥运游泳队委托Barry Bixler模拟游泳者，了解不同泳姿下的推力和阻力。他制作了一个3D模型的手臂，采用CFD对它的前臂泳姿的进行了数值模拟，研究结果表明游泳是一个十分复杂的物理过程，游泳者的手臂在游进的过程中，会像一个机翼一样，产生升力和阻力，从而形成前进的推力。可以想象，在不远的将来，利用CFD技术可以为每个游泳者设计出不同的姿势以产生最大的推力和最小阻力。

滑雪

在冬奥会滑雪领域，技术被广泛应用要追溯到1994年的挪威利勒哈默尔冬奥会，当时最大的争论是相对新的V型滑雪姿势挑战平行滑行姿势，V型滑雪姿势能够有更长的跳跃飞行时间，但不淸楚其原理。美国New Hampshire采用Fluent软件模拟，结果表明V型滑行者的阻力几乎与常规的平行滑行姿势是一样的，但是这个V型滑行者的升力要高出8%，这就导致了有较长时间的跳跃飞行。

CFD在体育场馆舒适性研究中的应用

体育场馆的舒适性也是CFD研究的一个重要方向，体育馆内良好的温度、湿度和风速环境不仅影响到运动员的比赛成绩，还将影响观看比赛观众的舒适度。特别是对于一些场地比较特殊的场馆，如冬奥会的速滑馆，由于速滑馆在比赛时收到体育工艺对热环境方面的严格要求，赛后冰面的存在又对人体的热舒适度产生影响，所以场馆内“微气候环境”是解决速滑馆赛时赛后问题解决的重点。

体育CFD的发展方向

CFD己经成功应用到许多体育领域了，随着CFD技术和计算机计算能力的不断发展，还将在如下方面有所作为：

• 随着更加便宜和有效的扫描技术的发展，可以进行特定的优秀运动员的流动模拟；

• 模拟由于表面粗糙度和其他边界层变化带来的体育服装的空气动力性能的提高；

• 具有更好透气和吸汗功能的体育服装的模拟；

• 其它体育器材的空气动力性能的完善，尤其是体育成绩对体育器材依赖较强的项目，如：自行车、帆船、赛艇、雪橇等；

• 优秀游泳运动员在划水姿势的空气和水动力模拟；

• 带自由面影响的水上运动器材的水动力性能模拟；

• 对优秀运动员生物医学的CFD模拟，如肺与空气通道以及动脉和血液流动分析的模拟；

• 越来越多的体育馆和游泳池的改进以便为运动员和观众提供最佳的空气条件；

• 与运动员在比赛时热量释放有关的热交换和能量计算。例如：具有好的散热性能的头盔设计。

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