作者：Nicolas Warzecha ，仿真工程師（CFD 專家），德國柏林運動裝備研究院

仿真技術改進賽艇裝備，幫助德國延續奧運佳績。

在奧運歷史舞臺上，劃船類項目屬于最早的比賽項目。早在1896 年雅典奧運會，賽艇就應該成為奧運項目，但由于天氣原因不得不推遲到1900 年巴黎奧運會。劃艇和皮艇項目則是在1936 年的柏林奧運會首次亮相。在現代奧運會的歷史中，德國在賽艇、劃艇和皮艇項目上贏得的獎牌數比其他任何國家都要多。近年來，德國在此類項目中的傳統優勢得到了延續，其中運動裝備研究院（德語縮寫FES）的工程技術革新功不可沒。

　　FES 在運動裝備領域的成功最早可以追溯到力學原理的自行車，其最新的成就包括為2006 年意大利都靈冬奧會設計更具流線結構的橇，1988 年為韓國首爾奧運會設計出更符合空氣動FES 一直致力于利用最新的工程技術開發運動裝備，并不斷在國際市場取得成功。十幾年來，該公司一直將數值仿真技術作為一項重要的工程工具，FES 的工程師利用ANSY CFX 為不同類型的賽艇優化流體動力學。他們的努力使德國賽艇隊在2012 年倫敦奧運會上發揮出色并獲得多枚獎牌。

穩態下自由表面波浪等高線（用顏色區分）：上圖為單人劃艇（C1）；下圖為單人皮艇（K1）

　　最近，FES 將仿真的重點集中在較小的賽艇, 特別是雙人單槳賽艇和K-1、K-2和K-4 （單人，雙人和四人對）皮艇。從建造和仿真的觀點來說，FES 認為分析這些更小的賽艇很有意義；盡管構建小賽艇所需的材料較少，但優化的難度卻很大。例如，單人皮艇的長度不能超過17 英尺（5.2 米）， 最小重量僅為26 磅（12 千克）。賽艇表面可供修改的面積相對較小，同時需要考慮周圍的空氣流、水流、自由表面以及復雜的邊界條件，因此仿真是設計過程中必不可少的重要組成部分。

K1皮艇在水面產生的波浪形狀俯視圖。黃色和紅色表示高于無擾動水面（綠色）；藍色和淺藍色表示低于無擾動水面（綠色）。

　　于雙人單漿賽艇來說，減小阻力是首要的優化目標。在千分之一秒決定勝負的激烈賽事中，即便是1% 的提高都可以對比賽結果產生重要影響。引起阻力的主要原因是潮濕表面的摩擦力和劃船時形成的波浪。其他因素包括重心位置和賽艇的排水量。在仿真過程中，研究人員發現對于賽艇在水中位置固定不變的初始假設是不正確的，這一點顯而易見，因為仿真結果與在船模試驗池中進行比例模型實驗得出的結果相比有很大出入。

為了糾正這個問題，FES 的工程師采用可集成自定義FORTR AN? 子程序的CFX Expression Language 來自動確定船體的可變浮動位置，而這個位置取決于計算過程中的實際速度。每次迭代過程都要計算船體的最新浮動位置，同時網格結構也會發生變形。工程師利用ANSYS ICEM CFD 生成一個包含300 萬個單元的結構網格，用以在合理的計算時間之內執行大量瞬態仿真。

　　為取得更好的仿真效果，FES 團隊與來自CFX 柏林（ANSYS 的渠道合作伙伴）的專家進行交流。CFX 柏林不僅提供網格剖分和仿真方面的支持，還幫助FES 建立針對Linux? 和Windows? 硬件的高性能計算集群（HPC）。對移動船體的瞬態仿真曾經非常昂貴，但是現在僅需兩三天即可完成。

　　利用HPC，FES 團隊可對每類賽艇的20種不同虛擬設計方案進行高效評估，這樣工程師就可以胸有成竹地針對挑選出的最佳設計方案構建測試原型。因為全世界靜水沖刺賽道的條件都相同，因此仿真的目標不是準確復制船模試驗池的測試結果；而是理解不同艇體在相同邊界條件下的性能差異。根據數值計算的結果，優化后的船體外形可以減小潮濕表面的摩擦以及波浪的形成，從而可以減小總阻力，幫助德國隊向獎牌發起沖擊。

劃艇漿葉表面網格和周圍流體區域網格的近距離視圖

　　除了賽艇的流體動力學之外，FES研究的主要內容還包括劃槳方式。劃艇和皮艇的劃行過程包含驅動過程和恢復過程，驅動過程推動船體前進，恢復過程中船體開始減速。相應的循環頻率對沉浸、調整、拖拽阻力和提升的變化有影響。盡管多項參數和影響因素很大程度上取決于運動員的個人習慣，但可以利用仿真實現一些重要的設計步驟，用以優化漿板的結構。

　　在賽艇優化過程中，運動員也積極參與研發過程，因為裝備的變更需要奧運代表隊成員在使用時做出相應的調整，才能充分發揮仿真驅動設計方案變更所帶來的優勢。這種合作非常必要，因為在大賽之前，頂級選手不愿意冒著風險來改變自己的慣用動作或已經適應的劃槳技術。

　　幫助德國賽艇運動員取得成功是FES 工程師的最大動力，這一目標鼓勵他們克服技術挑戰，不斷完善和提高劃槳設計和賽艇性能。

漿觸水過程中漿葉的劃動順序：劃艇漿（頂部）；皮艇漿（底部）

FES的工程師利用ANSYS軟件為不同類型的賽艇優化流體動力學，FES的努力使德國賽艇隊在2012年倫敦奧運會上發揮出色并獲得多枚獎牌。