水上运动项目器材的流体动力性能研究.pdf

[ 9 】严立，郑伟涛等．液压智能型游泳等动力量测试训练器的研制【J 】．武汉体育学院学报， 1 9 9 8 ( 2 ) ：8 2 —8 6 水上运动项目器材的流体动力性能研究木 马勇1 ’2 1 武汉理工大学交通学院，湖北武汉，4 3 0 0 6 3 ； 2 武汉体育学院体育工程研究中心，湖北武汉，4 3 0 0 7 9 1 刖吾 体育工程学是一个蓬勃发展的新兴学科，逐步渗透到体育运动项目的各个领域，从事的 是边缘交叉领域的研究工作，为了推动学科的发展，1 0 年前成立了国际体育工程学协会 体育工程学涉及到的研究领域很多，其中体育器材的流体动力性能研究是一个重要的方向 马勇[ 1 】( 2 0 0 5 ) 综述了计算流体力学( C F D ) 在国外体育界的应用情况，可以看到国外 体育器材的流体动力学能研究涉及到F 1 汽车的气动布局的设计，美洲杯大帆船挑战赛帆与 艇的设计，球内的飞行问题，滑雪的姿势问题，雪橇的设计，自行车的阻力等问题 我国的体育器材的流体动力性能研究开展的较早，研究领域涉及田径、球内、游泳等项 目，特别是到从上世纪8 0 年代就开始了以水上运动项目器材为主的长期、系统研究，取得 了一批令人瞩目的成果。

韩久瑞【2 】( 1 9 9 9 ) 、郑伟涛[ 3 】( 2 0 0 0 ) 综述了当时的一些研究进展 情况近2 0 年来，我国的水上项目器材流体动力性能的研究紧紧围绕提高运动成绩，改进 运动技术为目标开展工作，国家自然科学基金、国家体育总局、交通部等科研项目的资助， 研究内容涉及到风帆的空气动力性能研究、帆板、赛艇、皮划艇、蹼泳、滑水等项目器材的 水动力研究，研究成果在个国家队备战奥运会、亚运会中得到成功应用，为打破纪录夺取金 牌作出了贡献，同时，为设计高性能的体育器材奠定了基础 本文将综述国内水上运动项目研究的进展和成果，为我国的体育器材的流体动力性能研 究的发展提供借鉴 2 ．流体性能研究的方法 试验研究：我国目前开展的器材水动力性能试验研究主要设备涉及到拖曳水池和循环水 槽拖曳水池通过拖车拖曳船模以一定速度航行，测定船艇阻力，进行船艇的阻力性能研究， 葛新发【4 】( 2 0 0 4 ) 综述了国内外这方面的研究进展情况循环水槽通过固定在一定速度下流 动水流中的器材，测定器材的水动力性能，郑伟涛[ 3 】( 2 0 0 0 ) 综述了国内外在这方面的研究 情况器材的气动性能试验研究主要是通过风洞进行。

理论研究：我国目前开展的器材流体动力性能的理论研究主要方法是数值模拟，也就是 采用计算流体力学( C F D ) 方法在我国的C F D 方法中主要是通过势流假定，采用面元法 ’国家自然科学基金资助项目( 1 0 0 7 2 0 4 5 ) 和湖北省自然科学基金资助项目( 2 0 0 5 A B A 2 8 0 ) 作者简介：马勇，男，讲师，联系：0 2 7 ．8 7 1 9 2 1 0 8 ，通信地址：湖北省武汉市武昌区珞瑜路4 6 1 号， 电子邮箱：h d h m y o n g @ 1 6 3 ．c o r n 7 0 模拟器材的推进效率和兴波阻力目前，也开始采用N S 方程进行粘性计算，分析器材的阻 力特性 3 ．主要研究成果 3 ．1 风帆的空气动力性能 我国的风帆空气动力性能研究在上世纪8 0 年就开始了当时由于能源危机，我国掀起 了风能研究的热潮，在国家自然科学基金、交通部、国家风能研究中心的资助下，以武汉水 运工程学院为代表开展了大量的特种风帆的研究，大量的研究成果随之应用到了体育界郑 伟涛【5 】( 1 9 8 5 ) 综述了这方面当时的研究进展 为备战巴塞罗那奥运会，在国家体育总局的资助下，开展了帆板和4 7 0 项目的风帆的空 气动力性能研究。

采用一定缩尺比的模型，在风洞中对风帆进行了气动性能试验研究研究 进行的主要内容包括：风帆在不同的帆型参数如：拱度大小、最大拱度的位置对气动性能的 影响以及不同帆失速角大小，通过帆的极图给出不同风速、风向和航向下的最佳操帆角等 这些研究成果奠定了我国帆船帆板运动项目的理论基础 风洞实验还进行了帆的攻角、扣角以及风帆与人体的相对位置之间的关系等多种参数对 风帆气动性能的影响同时，还研究了4 7 0 帆船双帆相互的干扰情况，这些研究为风帆的调 整提供科学依据 3 ．2 帆板的水动力学试验 1 9 8 8 年奥运会帆板比赛采用的是圆底板，其后采用的是米氏板，2 0 0 8 年奥运会将采用 N P 板这种板的外型有很大的变化其水动力性能也有很大的变化因此，需要对其进行 水动力性能试验，为运动员对板的操纵提供科学依据 帆板的水动力性能研究一般在拖曳水池中进行，测试不同横倾、纵倾下的的阻力，得出 最佳的横倾和纵倾角度，同时，还要进行尾鳍和稳向板插入不同深度和角度对板体水动力性 能影响的试验 1 9 8 8 年通过对圆底板的拖曳水池的水动力试验研究，结果发现圆底板横倾2 5 左右阻 力最小，这一方面是因为，横倾以后板体的面积减小，另一方面横倾以后尾鳍和稳向板可以 提供额外的升力，减小排水量，从而减小阻力。

这一实验结果，为运动员的倾板提供了科学 依据，使得我国的倾板技术达到世界先进水平，为帆板夺取第一块奥运会的银牌作出了贡献 1 9 8 8 年奥运会以后改用米氏板，这是一种平底板然而，由于未能对新型板型进行深 入的研究，我国的倾板技术依然沿用圆底板的经验，一直在实践中摸索，虽然我国的男子运 动员在2 0 0 0 年奥运会上夺取了第4 名，但是一直未能有新的突破为了备战2 0 0 4 年奥运会， 2 0 0 4 进行了米氏板的平板试验【6 】( 2 0 0 4 ) 研究结果表明：米氏板与圆底板的水动力性能有 很大差别，横倾的角度要大大减小，大约在1 0 以内阻力达到最小，随着横倾角度的增加， 阻力急剧增加与此同时，纵倾角度要比圆底板有所增加试验结果说明，米氏板的横倾目 的不是为了减小阻力，而是控制板的横移，阻力的减小重点应该放在板的纵倾方面这一研 究结果，为运动员器材的调整提供了科学依据，为在2 0 0 4 年奥运会上再次夺取银牌作出了 贡献 2 0 0 8 年奥运会将采用N P 板，这种板型比米氏板，更短更宽在吸取以往的经验教训的 基础上，首先开展了N P 板的水动力性能研究经过试验研究发现，该板几乎不需要进行横 7 1 倾，要更多地注意帆的滑行，而且板很容易进入滑行状态。

虽然，2 0 0 5 年运动员都在忙于 参加试运会的比赛理想，没有时间进行新板的适应训练，但是由于理论的指导，减小了实践 的摸索，国家队经过近2 个月的摸索，在2 0 0 6 年墨尔本公开赛上夺取了一个第l 、一个第4 3 ．3 赛艇皮划艇桨叶推进的水动力性能研究 在国家自然科学基金、霍英东教育基金以及国家体育总局的资助下，从1 9 9 4 年起逐步 开展了赛艇、皮划艇桨叶的水动力性能研究郑伟涛【3 1 ( 2 0 0 0 ) 综述了当时这方面的研究情况 分别采用了数值模拟和循环水槽试验的方法对赛艇桨叶水动力性能的研究，文献p 叫1 系 统地报导了各参数对赛艇桨叶性能的影响的研究研究分析了攻角、浸水深度、斜角、桨频、 幅度等各种参数对常用的“B i g B l a d e ”赛艇桨叶性能的影响研究表明，影响桨叶性能的主 要因素分别是频率、浸水深度、攻角推进效率最高的区域位于桨杆与船艇垂直时的角度附 近，即桨架前后2 5 0 一3 0 0 左右因而，对赛艇运动来讲幅度不是决定性因素，它必须服从于 桨叶在水下的速度要求，即高速拉桨的要求不要过分追求划桨幅度，以身体充分舒展为宜 更不能牺牲频率来服从幅度。

这些研究改变了国内赛艇运动技术只强调动作幅度，忽视拉桨 速度的倾向，为建立适合中国运动员身体特点的赛艇技术奠定了理论基础在此基础，研制 了一种新型的柔性表面桨叶可以获得较好的流体动力性能，获得了国家实用新型专利本研 究获得了国家自然科学基金的特别奖励，此外，还分别获得了湖北省、国家体育总局科技进 步奖励 皮划艇桨叶在空中没有固定的支撑点，运动轨迹不定，水动力特性更为复杂易名农 t l o J ( 2 0 0 0 ) ：i l 臣过循环水槽的实验，研究了各种参数对皮划艇桨叶水动力性能的影响，特别是研 究了桨叶离船边的距离对桨叶的干扰特性，为运动员正确的下桨提供了科学的依据 赛艇、皮划艇桨叶的水动力性能上有许多问题未能得到解决，例如，桨与桨之间的干扰， 桨与艇之间的干扰等等 3 ．4 赛艇皮划艇船艇阻力特性的研究 赛艇、皮划艇船艇的阻力特性是影响赛艇皮划艇运动成绩的另一个重要因素我国的赛 艇皮划艇的船艇制造基本上完全是仿制国外取得过好成绩的艇型，而国外每届奥运会都能够 推出新的艇型我国的赛艇皮划艇的研制与设计工作几乎是空白 在国家自然科学基金、国家体育总局的资助下，从上世纪9 0 年代中期开始逐步开展了 赛艇皮划艇船艇阻力特性的研究。

郑伟涛f 1 2 1 ( 1 9 9 7 ) 进行了两种四人皮划艇阻力特性的试验对 比研究，结果发现：不同形状的皮划艇的阻力和所需功率的差异可以达到3 , - - - 5 ％，因此， 对于5 0 0 m 的比赛前3 名的差异往往不到1 秒，而同样的运动员采用这两种不同的艇成绩相 差可以达到3 秒左右因此可见，艇的阻力特性是决定皮划艇成绩的关键因素在此基础上， 开发研制了新的艇型，受到了教练员的好评 从上世纪9 0 年代末开始了赛艇船艇的水动力性能研究葛新发1 4 ] ( 2 0 0 4 ) 综述了这方面的 研究现状对不同的赛艇艇型进行了试验研究并分析了赛艇阻力成分的构成结果发现：赛 艇的阻力随速度的变化其规律是不相同的，因此，训练的时候应该充分考虑船速的影响，目 前，国内外赛艇对于训练速度的选择都未充分考虑船速的影响另外，赛艇的阻力特性与常 规的船艇的阻力特性有很大的差别，虽然，赛艇的傅汝德数达到了0 ．5 —0 ．7 ，但是兴波阻力 只占总阻力的8 ～1 0 ％，同时，水深傅汝德数接近1 ．0 ，但是也没有发现兴波阻力急剧增加 的现象，试验中也未见到孤立波的现象这表明大长宽比( 1 0 ) 的赛艇的兴波阻力与常规 艇有很大的差别。

研究还发现不同艇的摩擦阻力差别不大，总阻力的差异主要体现在兴波阻 力上，因此，加强赛艇的兴波阻力的研究极为重要 为了进一步研究赛艇的兴波阻力的规律，在湖北省自然科学基金的资助下，开展了赛艇 兴波阻力的数值模拟分析文献1 t } 1 4 1 介绍研究的一些最新进展 这些研究工作为我国赛艇、皮划艇艇型的设计研究工作奠定了理论基础，也为将来能够 研制出适合中国运动员身体特点的赛艇皮划艇打好了基础 3 ．5 蹼泳板的水动力学研究 蹼泳运动类似鱼类的摆动推进鱼类的仿生推进有着很高的推进效率，是一个极为复杂 的流体力学现象仿生推进研究是国内外流体力学界的一个研究热点在我国运动的仿生推 进研究一直是国家自然科学基金近十几年来的重点资助研究领域，其推进原理可以在将来广 泛地应用到特种推进器，深海机器人等领域，有着广泛的工业应用背景蹼泳板就是这种推 进原理的一种应用，是一种新型的、已经用于实践的“仿生推进器” 国内的蹼泳板的推进研究开始于上世纪8 0 年代初期当时，国内刚刚开展蹼泳运动， 为了赶超世界先进水平，开展了蹼泳板的水动力性能研究郑伟涮1 5 1 ( 1 9 9 0 ) 综述了当时的研 究进展由于我国研制的蹼泳板水动力性能的不断提高，在世界位于领先地位，1 9 8 6 年以 来，平均每年都要夺得各种世界大赛2 0 多枚金牌，占每年全国夺得世界冠军总数的l ，4 ～1 ／5 。

截止2 0 0 2 年9 月，我国运动员仍保持着2 4 个项目中的半数以上的世界纪录 2 0 0 0 年第1 0 届世界锦标赛在西班牙举行，俄罗斯不仅涌现了一批优秀的年轻运动员， 而且由于在脚蹼上的改进。