體育行業CFD仿真的必要性

體育比賽的勝負差距非常微小，運動員技術的微弱提高就有可能導致比賽中成績排名產生巨大變化，各級體育局單位都愿意對運動器材的性能研究投入大量經費，以提高教練員和運動員對器材性能的理解，從而提高訓練的科學性，提升運動員比賽的成績。

計算流體力學是隨計算機技術發展而出現的一門新學科，是流體力學研究方法的一個分支。幾十年來CFD技術已經占據了計算機輔助工程的主流，得到了越來越多的行業應用，隨著計算快速發展，CFD仿真精度不斷提高，CFD技術在體育器材設計師們眼中計算機已經可以和傳統的風洞相媲美，并越來越實用，它逐漸成為空氣動力學和水動力學設計過程中一個不可缺少的部分，如飛機、汽車、船舶、建筑等。CFD軟件因其費用少、周期短的優點，加之數值模擬在某種意義上比理論和實驗對流體的運動過程認識得更為深刻、更為細致，不僅可以了解運動狀態的結果，而且還可以了解整體與局部的細小擾動。

在國內CFD在體育領域的應用較為前沿的是武漢體育學院鄭偉濤、馬勇團隊在蹼泳板“仿生”推進器、賽艇皮劃艇、帆船帆板帆翼數值模擬研究，促進我國多項體育比賽項目的快速提升，實現了成績不斷刷新，金牌不斷突破。體育行業CFD仿真技術的應用不斷被體育界所認知和接受，促進了我國體育行業的快速發展。

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CFD在體育行業的應用方向（客戶目前已經有研究成果的列表）

1帆船風帆空氣動力性能

• 起航調帆策略研究

• 不同翼型對于風帆空氣動力性能影響規律

• 繞標換弦風帆運動規律

• 風帆攻角、扣角預計與人相對位置的參數影響規律

• 470級帆船雙帆干擾

帆船、帆翼空氣動力性能的數值模擬

運用FLUENT軟件可以對帆船的風帆受力及空氣外流場進行數值模擬分析，通過研究風帆的空氣動力性能規律，得到風帆與船體的最佳配合方案，為調帆轉弦、繞標技戰術分析、和不同海況下調帆策略研究提供科學依據，為國家帆船隊的技術改進提供理論指導。

2賽艇皮劃艇水動力性能

• 皮劃艇水動力性能

• 槳葉推進性能

• 柔性槳葉水動性能

• 賽艇與槳葉干擾

• 賽艇皮劃艇興波阻力預報

• 多人配艇方案研究

通過FLUENT軟件對賽艇、船艇和槳葉進行數值模擬，可以得到各種參數如槳葉的浸水深度、拉槳幅度、傾角、頻率等因素對拉槳性能的影響，研究槳、艇干擾得到最佳的槳、艇配合間距，為運動員劃槳技戰術的研究提供參考依據。

3皮劃艇激流航道分析

• 不同段航道的流場分析

通過FLUENT軟件對激流航道的不同航段分別進行數值模擬，得到丁壩前后的水流規律，為皮劃艇運動員在不同航段行駛提供針對性的技戰術指導，為運動員比賽成績提高提供科學依據。

4蹼泳板“仿生推進器”

• 蹼泳運動規律

• 蹼泳板外形設計

• 仿生推進研究

采用FLUENT軟件對蹼泳板的推進性能研究和魚類擺動的數值模擬研究，不斷研制出的不同形狀的蹼泳板進行測試研究推進效率，以提供高成績。目前實驗室研制的蹼泳板在比賽中已成功打破蹼泳項目的世界紀錄。

5球類旋轉飛行

• 球類空氣動力性能預報

• 不同技術動作對應的球飛行軌跡預測

3D掃描逆向工程建模技術顛覆了傳統的CAD建模方法，模型通過3D掃描技術獲得目標文件通過Geomagic studio逆向工程進行幾何清補，導入ICEM CFD進行網格劃分，通過FLUENT數值模擬研究足球以不同速度飛行時的空氣動力性能規律，通過FLUENT動網格技術仿真計算分析足球受力情況并預測足球的飛行軌跡，對足球踢球技術的研究提供參考，為運動員腳法技術的提高提供依據。

6F1賽車

• 賽車氣動性能分析

• 賽車彎道技術分析

• 賽車外形優化設計

• 賽車操縱穩定性優化

通過FLUENT數值模擬對F1賽車進行流體動力性能分析，優化車身外形，得到最優的車身設計方案，FLUENT最早應用于汽車行業的成功案例就是幫助F1賽車奪得賽事冠軍。

7游泳及泳衣

• 游泳衣粗糙度測試優化

• 技術動作受力分析

通過FLUENT數值模擬，分析游泳技術動作受力的大小以及對流場的干擾，得到最優的游泳技術組合，同時對運動員穿戴不同泳衣的數值模擬，可以得到最優化的泳衣粗糙度方案和外形設計方案。

8體育場館舒適性

通過對大型體育館CFD模擬，它可以精確地模擬所研究對象內的空氣流動、傳熱和污染等物理現象，它可以準確地模擬通風系統的空氣流動、空氣品質、傳熱、污染和舒適度等問題，并依照ISO 7730標準提供舒適度、PMV、PPD等衡量室內空氣質量（IAQ）的技術指標。從而減少設計成本，降低設計風險，縮短設計周期。目前已有不少工程師開始利用CFD軟件來改進體育館內的送風方案。

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未來在體育器材的性能研究中的CFD應用

CFD已經成功應用到許多體育領域——如上面提到的水上運動器材、自行車、F1賽車、滑雪、球類運動、摩托車彎道行駛分析等等。隨著計算機大型化的發展，CFD從曾經的只能模擬定常問題擴展到可以方便的模擬非定常問題，模擬問題逐步更接近實際問題，正如第十屆體育科學大會上徐志磊院士所表述“計算機仿真技術（CFD）是促進體育工程發展的重要手段”。CFD在武漢體育學院鄭偉濤團隊的蹼泳板、賽艇皮劃艇、帆船帆板帆翼研究應用中成果為體育界打開了CFD在體育器材性能研究應用的開端，促進CFD在未來體育器材研究的應用。CFD將在如下方面有所作為：

• 模擬由于表面粗糙度和其他邊界層變化帶來的體育服裝的空氣動力性能的提高

• 具有更好透氣和吸汗功能的體育服裝的模擬

• 鞋底的優化以提高全天候條件下的牽引力，事實上，CFD可以越來越廣泛地應用在體育器材制造方面，如成型流動過程等

• 越來越多高爾夫球和高爾夫桿的空氣動力性能的CFD模擬

• 其它體育器材的空氣動力性能的進一步完善，尤其是體育成績對體育器材依賴較強的項目，如：自行車、帆船、賽艇、雪橇、無舵雪橇、俯式冰橇等

• 自行車運動員周圍外流場數值模擬分析

• 優秀游泳運動員在劃水姿勢、轉身技術的空氣和水動力模擬

• 帶自由面影響的水上運動器材的水動力性能模擬

• 對優秀運動員生物醫學的CFD模擬，如肺與空氣通道以及動脈和血液流動分析的模擬。從CT和MRI掃描到CFD模擬在生物醫學界已經很普遍了

• 越來越多的體育館、游泳池等場館仿真優化改進以便為運動員和觀眾提供最佳的空氣條件及降低噪聲措施

• 運動員在比賽時熱量釋放有關的熱交換和能量計算的仿真應用。例如：具有好的散熱性能的頭盔設計

• 標槍重心點對其氣動力影響以及飛行軌跡預測

CFD已經廣泛地滲入到體育行業的基礎研究中，它在研究比賽裝備（鞋、衣服、頭盔）透氣舒適安全性、器材與空氣、水干擾現象，解決器材應用體育工程實際問題等方面發揮了重要作用。CFD技術將繼續發揮在體育場館熱舒適安全性，固定路徑合理性，器材優化等方面，CFD技術將發展器材與人交互優化研究應用方面發揮積極促進作用。

未來，CFD軟件將在體育行業發揮越來越重要的作用……