蹼泳板的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真

蹼泳板的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（10072045）；中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（10072045）；中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介：鄭偉濤（1965.3-），男，湖北武漢人，博士，研究員，從事流體力學(xué)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究鄭偉濤1馬勇韓久瑞(武漢體育學(xué)院，湖北武漢，430079)摘要：采用理論方法對(duì)蹼泳板水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真，利用勢(shì)流方法，采用非定常升力面理論，對(duì)俄羅斯男、女新型蹼泳板和我國(guó)蹼泳板進(jìn)行計(jì)算。本文重點(diǎn)研究俄羅斯男、女新型蹼泳板和我國(guó)蹼泳板的水動(dòng)力性能，以此為基礎(chǔ)，對(duì)不同項(xiàng)目和不同距離，提出不同的技術(shù)要求，指導(dǎo)教練員、運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行科學(xué)的訓(xùn)練，減少?gòu)澛贰ｊP(guān)鍵詞：蹼泳板；計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真；水動(dòng)力性能蹼泳運(yùn)動(dòng)作為一種世界性的體育比賽項(xiàng)目，它是潛水比賽中的一種。目前已在世界各地廣泛地發(fā)展。它的成績(jī)的提高取決于體能、運(yùn)動(dòng)技術(shù)以及運(yùn)動(dòng)器材的水動(dòng)力性能。國(guó)內(nèi)外研究表明，體能的提高是有限的，關(guān)鍵是運(yùn)動(dòng)技術(shù)的完善和運(yùn)動(dòng)器材的水動(dòng)力性能的提高。在改進(jìn)和完善蹼泳運(yùn)動(dòng)技術(shù)和訓(xùn)練方法的同時(shí)，加強(qiáng)蹼泳板水動(dòng)力性能的研究，改進(jìn)蹼泳板的推進(jìn)性能，是蹼泳運(yùn)動(dòng)亟待解決的問題。蹼泳(surface)比賽時(shí)，運(yùn)動(dòng)員兩腳穿上像魚尾巴一樣的腳蹼，雙臂前伸，身體平直俯臥水中，依靠肩、腰腹和腿銜接發(fā)力，帶動(dòng)腳蹼作海豚式上下打水，形成連接波浪狀，獲得推力前進(jìn)。蹼泳比賽要求運(yùn)動(dòng)員不得全身潛入水中，出發(fā)或轉(zhuǎn)身后允許在15米內(nèi)做一次潛泳，整個(gè)游程在水面進(jìn)行，出現(xiàn)身體全部入水在水面以下即為犯規(guī)。在運(yùn)動(dòng)過程中，腳蹼基本上是由升沉和轉(zhuǎn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式組成。并伴隨一定的彈性變形，一般來講，運(yùn)動(dòng)員的前進(jìn)速度在2m/s，最高時(shí)可以達(dá)到3m/s，擺動(dòng)的頻率也可以達(dá)到1.5~2.0次/秒。在一個(gè)周期內(nèi),腳蹼的上下打水時(shí)間是不一致的。一般上水的打水時(shí)間比下水的打水時(shí)間短一些。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，受到的非定常流體動(dòng)力主要是推力，側(cè)向力，還有力矩。推力用來抵抗流體的阻力，推動(dòng)人體前進(jìn)；側(cè)向力和力矩作用在人體表面，它破壞了人體的平衡，使人體上下擺動(dòng)，過大的擺動(dòng)對(duì)蹼泳運(yùn)動(dòng)是不利的。一個(gè)周期內(nèi)的平均推力矩代表了蹼泳板推進(jìn)性能的好壞，一個(gè)周期內(nèi)的最大側(cè)向力矩和最大力矩代表著人體對(duì)流體動(dòng)力的承受能力。因此，好的蹼泳板應(yīng)該具有大的平均推力，同時(shí)又具有較小的最大側(cè)向力和最大力矩。由于競(jìng)賽規(guī)則對(duì)腳蹼面積、形狀、材質(zhì)等均未限制，因此蹼泳界除了重視運(yùn)動(dòng)員身材選擇、蹼泳技術(shù)及運(yùn)動(dòng)心理訓(xùn)練與研究外，還重視對(duì)腳蹼的面積、形狀、材質(zhì)、彈性分布等物理特性進(jìn)行研究，注重將新材料、新工藝和仿生學(xué)原理引入腳蹼設(shè)計(jì)與制造中，不斷推出新型腳蹼。而在研制新蹼過程中，一個(gè)重要的工作就是鑒別新蹼推進(jìn)性能優(yōu)劣。本文主要側(cè)重于對(duì)目前常用的幾種蹼泳板的水動(dòng)力性能進(jìn)行研究。本文重點(diǎn)研究俄羅斯男女新型蹼泳板的水動(dòng)力性能，特別是通過該板與我國(guó)的蹼泳板的對(duì)比研究，找出兩板的性能差異。以此為基礎(chǔ)，對(duì)不同項(xiàng)目和不同距離，提出不同的技術(shù)要求，指導(dǎo)教練員、運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行科學(xué)的訓(xùn)練，減少?gòu)澛贰?.理論分析在世界范圍內(nèi)，蹼泳運(yùn)動(dòng)有三種技術(shù)風(fēng)格：大幅度、慢頻率鞭水技術(shù)；大小幅度、快慢頻率交替鞭水技術(shù)；小幅度、高頻率鞭水技術(shù)。從2000年第十屆世界蹼泳錦標(biāo)賽調(diào)研的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，在男女共計(jì)12個(gè)單項(xiàng)水面蹼泳項(xiàng)目比賽中，全部金牌獲得者均是采用小幅度、高頻率的鞭水技術(shù)。說明小幅度、高頻率鞭水技術(shù)符合流體動(dòng)力學(xué)原理，代表了現(xiàn)代水面蹼泳運(yùn)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向。蹼泳板雖然與前進(jìn)方向有較大的沖角，但是由于非定常運(yùn)動(dòng)和板的變形，尾渦分離并不嚴(yán)重，尾渦基本上是順著板的尾部下泄出來的，其軌跡基本上是板的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)上面的分析，在本論文計(jì)算過程中，可以假設(shè)蹼泳板作小振幅運(yùn)動(dòng)，同時(shí)假設(shè)流動(dòng)是無旋的，流體是無粘、不可壓縮的勢(shì)流。忽略自由表面上空氣流動(dòng)，認(rèn)為表面環(huán)境壓力為恒定。同時(shí)假定蹼泳板是剛性的。利用勢(shì)流方法，采用非定常升力面理論，來計(jì)算蹼泳板的水動(dòng)力性能。本論文計(jì)算蹼泳板為實(shí)際單片腳蹼。對(duì)俄羅斯男、女新型蹼泳板和我國(guó)蹼泳板進(jìn)行計(jì)算。為了比較它們的性能，在計(jì)算中我們?nèi)∪N板相同的長(zhǎng)度。如圖1所示，假定蹼泳板在水中繞點(diǎn)作縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)，來流沿軸正向，則縱搖的物面方程：(1)圖1其中：為縱搖最大角度，為縱搖的頻率，為垂蕩幅度。圖1將結(jié)果換算成無因次系數(shù)：推力系數(shù)：，側(cè)向力系數(shù)：，力矩系數(shù)：。其中：為推力，為側(cè)向力，為力矩，為水的密度，為水流速度，為蹼泳板的面積，為蹼長(zhǎng)。推力系數(shù)表征單位蹼面積上所提供的推力大小。本文中用推力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)和力矩系數(shù)來表征蹼泳板的推進(jìn)性能。2.計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真2.1蹼泳板水動(dòng)力性能隨蹼泳板外形和頻率的變化關(guān)系圖2給出的是時(shí)的平均推力系數(shù)，最大側(cè)向力系數(shù)和最大力矩系數(shù)隨頻率變化關(guān)系。從圖中可以看到俄羅斯男蹼泳板在任何頻率下產(chǎn)生的推力、最大側(cè)向力和最大力矩都比俄羅斯女蹼泳板和國(guó)內(nèi)蹼泳板產(chǎn)生的推力、最大側(cè)向力和最大力矩要大。而國(guó)內(nèi)蹼泳板在任何頻率下產(chǎn)生的推力、最大側(cè)向力和最大力矩比俄羅斯女蹼泳板在任何頻率下產(chǎn)生的推力、最大側(cè)向力和最大力矩要大。圖圖2各系數(shù)隨頻率的變化關(guān)系2.2蹼泳板的水動(dòng)力性能在蹼泳板運(yùn)動(dòng)方式不同時(shí)的變化關(guān)系圖3給出的是俄羅斯女用蹼泳板水動(dòng)力性能在縱搖、垂蕩和縱搖與垂蕩組合時(shí)的關(guān)系。時(shí)蹼板的尾部的最大變化幅值同垂蕩時(shí)的最大幅值相當(dāng)。從中可以看到，不管運(yùn)動(dòng)方式怎么樣，蹼板產(chǎn)生的推力、最大側(cè)向力和最大力矩隨頻率的增加而增加。這同前面的結(jié)論是一致的。圖3圖3各系數(shù)隨頻率的變化關(guān)系2.3蹼泳板的水動(dòng)力性能隨蹼泳板擺動(dòng)幅值的變化關(guān)系通過計(jì)算俄羅斯女用蹼泳板在一定頻率下，不同的擺動(dòng)幅度時(shí)的水動(dòng)力性能來討論蹼泳板擺動(dòng)幅值對(duì)蹼泳板水動(dòng)力性能的影響。圖4是時(shí)俄羅斯女用蹼泳板水動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果。3結(jié)果分析3.1蹼泳板的水動(dòng)力性能隨蹼泳板外形和頻率變化關(guān)系分析三個(gè)板在外形上的不同，可以發(fā)現(xiàn)俄羅斯男用蹼泳板比俄羅斯女蹼泳板和國(guó)內(nèi)蹼泳板要豐滿；而國(guó)內(nèi)蹼泳板比俄羅斯女蹼泳板要豐滿。結(jié)果表明，要獲得更大的推力，蹼板要比較豐滿。但是，我們同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，雖然推力系數(shù)能夠大幅度提高，但是最大側(cè)向力系數(shù)和力矩系數(shù)提高很快。也就是說，提高推力同時(shí)會(huì)加大最大側(cè)向力和最大力矩。這是與我們理想推力增加而側(cè)向力減小相矛盾的。這樣在實(shí)際訓(xùn)練和比賽中，要根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的身體素質(zhì)和比賽種類來確定蹼板的豐滿度。短距離和身體素質(zhì)好的運(yùn)動(dòng)員可以用蹼泳板豐滿些的。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)三種蹼板產(chǎn)生的平均推力系數(shù)、最大側(cè)向力系數(shù)和最大力矩系數(shù)隨頻率的增加而增加。觀察不同頻率下產(chǎn)生的推力系數(shù)、最大側(cè)向力系數(shù)和最大力矩系數(shù)提高的幅度，可以看到，三種蹼板提高的幅度幾乎相同。最大側(cè)向力系數(shù)和力矩系數(shù)要比推力系數(shù)提高的幅度小一些，因此，用高頻是有利的。然而，盡管最大側(cè)向力的提高幅度沒有平均推力系數(shù)提高的幅度大，但是由于最大側(cè)向力系數(shù)大約是平均推力系數(shù)的2～4倍，所以人體要克服這個(gè)力要消耗相當(dāng)大的能量。那么頻率值不能大。原則上要在運(yùn)動(dòng)員身體素質(zhì)許可的情況下，選用大一些的頻率。在長(zhǎng)距離的比賽中，可以頻率低一些；短距離的比賽中頻率稍高些。圖4圖4各系數(shù)隨頻率的變化關(guān)系3.2蹼泳板的水動(dòng)力性能在蹼泳板運(yùn)動(dòng)方式不同時(shí)的變化關(guān)系以縱搖方式產(chǎn)生的蹼板推力、最大側(cè)向力和最大力矩比垂蕩方式產(chǎn)生的蹼板推力、最大側(cè)向力和最大力矩要大些；而組合方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，最大側(cè)向力系數(shù)和力矩系數(shù)是前面兩種方式相應(yīng)動(dòng)力系數(shù)的迭加；但是平均推力系數(shù)不是簡(jiǎn)單的相加，要比這個(gè)代數(shù)和要大得多。這是因?yàn)樽畲髠?cè)向力系數(shù)和力矩系數(shù)正比例于振動(dòng)幅值的一次方，而平均推力系數(shù)正比例于振動(dòng)幅值的二次方。這樣運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)時(shí)，除了上下擺動(dòng)以外，還要一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種組合運(yùn)動(dòng)方式能使推力增加很快，而最大側(cè)向力和力矩增加的幅值相對(duì)小些。這正是蹼泳運(yùn)動(dòng)所希望的。3.3蹼泳板的水動(dòng)力性能隨蹼泳板擺動(dòng)幅值的變化關(guān)系從圖4中可以看到，當(dāng)縱搖幅度一定時(shí)，蹼泳板水動(dòng)力性能隨垂蕩幅度的增加而增加，其中推力系數(shù)增加得更快。這對(duì)提高蹼泳的效率是有利的。也就是說，比賽中保持板的轉(zhuǎn)動(dòng)幅值不變的前提下，踝關(guān)節(jié)上下擺動(dòng)的幅度越大越好。但是從整體效果來看，不能忽略其不利的一面，仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)，過大的擺動(dòng)仍然是不利的。因?yàn)樗鼤?huì)破壞整體的流線，容易造成流體的分離。這樣在提高推力的同時(shí)，也會(huì)造成粘壓阻力的增加，這一點(diǎn)是要避免的。從圖4中可以看到，當(dāng)垂蕩幅度一定時(shí)，蹼泳板水動(dòng)力性能隨縱搖幅度的增加而增加。但是蹼泳板水動(dòng)力性能隨縱搖幅度增加的幅度對(duì)不同的垂蕩幅度是不一樣的。一般來說，在同一頻率下，垂蕩幅度越大，蹼泳板推力系數(shù)隨縱搖幅度增加的幅度越大。而側(cè)向力系數(shù)和力矩系數(shù)的增加幅度幾乎不隨垂蕩幅度的增加而增加。因此，加大縱搖的幅度推力會(huì)增加更快，所以比賽中除踝關(guān)節(jié)上下擺動(dòng)以外，應(yīng)該加上踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于比賽中人的頭部不能伸出水面，身體上下擺動(dòng)幅度受到一定的限制，這樣可以增加轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)的幅度，運(yùn)動(dòng)員的腰腹可以作一定的上下擺動(dòng)，這樣可以保證支點(diǎn)的上下擺動(dòng)又加大了蹼板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使推力的增加比側(cè)向力和側(cè)向力矩增加的幅度更大。4結(jié)論通過計(jì)算俄羅斯男、女用蹼泳板和國(guó)內(nèi)蹼泳板在一定的振動(dòng)幅度下，不同振動(dòng)頻率時(shí)的水動(dòng)力性能，可以發(fā)現(xiàn)隨頻率的增加，平均推力系數(shù)、最大側(cè)向力系數(shù)和力矩系數(shù)都是增加的。所以在運(yùn)動(dòng)中，高的頻率可以提高蹼泳板的推進(jìn)性能，但是我們同時(shí)不能忽略其側(cè)向力和力矩增加帶來的不利一面。以俄羅斯女用板為例計(jì)算不同運(yùn)動(dòng)方式對(duì)板的水動(dòng)力性能的影響，說明運(yùn)動(dòng)中垂蕩和縱搖兩種方式同時(shí)應(yīng)用，比單獨(dú)運(yùn)用垂蕩或縱搖時(shí)板的推進(jìn)性能好。那么在實(shí)際運(yùn)動(dòng)比賽中，腳蹼上下運(yùn)動(dòng)同時(shí)，要利用踝關(guān)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在平時(shí)的訓(xùn)練中要加強(qiáng)踝關(guān)節(jié)的力量以及其柔韌性、靈活性。同時(shí)計(jì)算了俄羅斯女用板在同一頻率下，不同振動(dòng)幅度時(shí)，板的水動(dòng)力性能，說明加大板的振動(dòng)幅度可以提高板的推進(jìn)性能。2000年在西班牙舉行的第10屆世界錦標(biāo)賽上，俄羅斯涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的年輕運(yùn)動(dòng)員，而且由于在腳蹼上的改進(jìn)，成績(jī)突飛猛進(jìn)，奪得了12枚金牌，而中國(guó)隊(duì)僅奪得了9枚金牌，10年來俄羅斯首次超過了中國(guó)隊(duì)。2001年在日本舉行的世界運(yùn)動(dòng)會(huì)上的10項(xiàng)蹼泳比賽中，俄羅斯獲得了8枚金牌，中國(guó)隊(duì)僅獲得了1枚金牌。中國(guó)隊(duì)落入歷史的最低谷。為了改變這一落后局面，本文通過以上對(duì)蹼泳板性能的研究，對(duì)蹼泳板的外形和性能進(jìn)行了改進(jìn)。設(shè)計(jì)的新型蹼泳板在2002年6月全國(guó)體育大會(huì)上打破了3項(xiàng)世界紀(jì)錄，9月在希臘帕特雷舉行的第11屆世界蹼泳錦標(biāo)賽上，在全部24個(gè)項(xiàng)目的比賽中獲得13枚金牌、8枚銀牌、4枚銅牌，打破1項(xiàng)世界紀(jì)錄、11項(xiàng)世界錦標(biāo)賽紀(jì)錄，成績(jī)相當(dāng)驕人。中國(guó)隊(duì)再一次確立了自己的世界蹼泳霸主地位。前面討論了運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)蹼泳板水動(dòng)力性能的影響。但是由于蹼泳運(yùn)動(dòng)是一個(gè)全身的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，要想全面、正確地討論其運(yùn)動(dòng)性能就需要整體考慮各種因素的影響，以求達(dá)到綜合考慮各種參數(shù)以后使蹼泳板的水動(dòng)力性能最佳。蹼板的水動(dòng)力性能的精確的研究，還要在不斷改變條件的前提下，才可能完成，這是以后要完成的工作。參考文獻(xiàn)[1].SUNDAS,KAWACHIK,WATANABEIandAZUMAA.Fundamentalanalysisofthree-dimensional“nearfling”.1993.[2]鄭偉濤．非定常升力面理論及在蹼泳板水動(dòng)力性能研究中的應(yīng)用[D]．武漢水運(yùn)工程學(xué)院碩士學(xué)位論文，1990.7.[3]韓久瑞，葛新發(fā)．蹼泳運(yùn)動(dòng)技術(shù)及訓(xùn)練指南[M]．北京：人民體育出版社，1995.6.[4]鄒早建.穿透自由面平板橫蕩和首搖水動(dòng)力計(jì)算.武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào),第20卷,第6期,1996.12.[5]陳政宏，李志揚(yáng).淺談流體中生物的推進(jìn)方法與仿生推進(jìn).高雄應(yīng)用科技大學(xué)機(jī)械工程系八十九學(xué)年度第二學(xué)期重要學(xué)術(shù)活動(dòng).2000.12.[6]竇修榮.(昆蟲)兩翼作打開、打開/平移運(yùn)動(dòng)時(shí)非定常氣動(dòng)力特性的研究.北京:北京航空航天大學(xué)博士后研究工作報(bào)告.1998.7.[7]鄭偉濤，葉國(guó)雄等．器