我國水上運動器材流體動力性能研究進(jìn)展

摘要：通過對國內(nèi)有關(guān)水上運動項目器材流體動力性能研究方法、現(xiàn)狀和取得成果的綜述，為我國的體育流體動力性能研究的發(fā)展提供借鑒。水上運動項目器材流體動力性能研究主要方法是試驗研究和數(shù)值模擬。我國的水上運動器材的流體動力性能研究起步較早，主要涉及到帆船、帆板、風(fēng)帆的空氣動力特性和船體水動力性能，賽艇、皮劃艇槳葉推進(jìn)特性，蹼泳板的推進(jìn)性能等等。這些研究為設(shè)計高性能體育器材奠定了理論基礎(chǔ)，其研究結(jié)果為運動訓(xùn)練的科學(xué)化水平的提高提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水上運動器材；流體動力學(xué)；研究進(jìn)展

中圖分類號：G818.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-7116(2008)02-0078-04

Progress in researches on fluid dynamic performance of

aquatic sports equipment in China

MA Yong，ZHENG Wei-tao

（Institute of Sports Engineering，Wuhan Institute of Physical Education，Wuhan 430079，China）

Abstract: The author gave an overview to the methods， current state and achievements made with respect to researches on fluid dynamic performance of aquatic sports equipment in China， so as to provide a reference for the development of researches on fluid dynamic performance of sports equipment in China. The main methods for researches on fluid dynamic performance of equipment for aquatic sports events are experimental study and numerical simulation. Researches on fluid dynamic performance of aquatic sports equipment in China were started early， mainly involving with the aerodynamic characteristics of sailboats， sailboards and wind sails， the propulsive characteristics of the propeller of racing boats and leather rowboats， the propulsive characteristics of swimming flaps， etc. These researches have built a theoretical foundation for designing high performance sports equipment， and their research results have provided criteria for the enhancement of scientific performance of sports training.

Key words: aquatic sports equipment；fluid dynamic；progress in researches

體育器材的流體動力性能研究是體育工程學(xué)研究的一個重要方向。從計算流體力學(xué)（CFD）在國內(nèi)外體育界的應(yīng)用情況來看，體育器材的流體動力學(xué)研究涉及到F1汽車的氣動布局的設(shè)計、美洲杯大帆船挑戰(zhàn)賽帆與船體的設(shè)計、球的飛行問題、滑雪的姿勢問題、雪橇的設(shè)計、自行車的阻力等[1]。

我國體育器材的流體動力學(xué)性能研究較早，研究領(lǐng)域涉及水上運動、田徑、球類、游泳等項目，特別是從20世紀(jì)80年代就開始了以水上運動項目器材為主的研究，取得了一批令人矚目的成果[2-3]。近20年來，在國家自然科學(xué)基金委、國家體育總局、交通部等單位的資助下，我國水上項目器材流體動力學(xué)性能的研究緊緊圍繞提高運動訓(xùn)練科學(xué)化水平的目標(biāo)開展工作。研究內(nèi)容涉及到風(fēng)帆的空氣動力性能以及帆板、賽艇、皮劃艇、蹼泳、滑水等項目器材的水動力性能。其成果在國家隊備戰(zhàn)奧運會、亞運會中得到成功應(yīng)用，為建立適合中國人身體特點的運動技術(shù)，打破紀(jì)錄奪取金牌做出了貢獻(xiàn)，同時也為設(shè)計高性能的體育器材奠定了基礎(chǔ)。

本文綜述國內(nèi)水上運動器材流體動力性能研究的進(jìn)展，為我國體育器材流體動力學(xué)性能研究提供借鑒。

1流體動力學(xué)性能研究的方法

從事水上運動器材流體動力性能研究的主要方法是試驗研究和理論計算分析。在試驗研究方面，我國目前開展的器材流體動力性能試驗研究主要設(shè)備涉及到拖曳水池、循環(huán)水槽和風(fēng)洞。拖曳水池通過拖車拖曳船模以一定速度航行，測定船艇阻力，進(jìn)行船艇的阻力性能研究[4]。循環(huán)水槽通過固定在一定速度下流動水流中的器材，測定器材的水動力性能[3]。器材的氣動性能試驗研究主要是通過風(fēng)洞進(jìn)行。

在理論研究方面，我國目前開展的器材流體動力性能的理論研究主要是利用CFD技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。在我國的CFD方法中主要是通過勢流假定，采用面元法模擬器材的推進(jìn)效率和興波阻力。目前，也開始采用NS方程進(jìn)行黏性計算、分析器材的阻力特性。

2主要研究成果

2.1風(fēng)帆的空氣動力性能

20世紀(jì)80年代，我國就開始了風(fēng)帆空氣動力性能研究。當(dāng)時由于能源危機，我國掀起了風(fēng)能研究的熱潮，在國家自然科學(xué)基金委、交通部、國家風(fēng)能研究中心的資助下，以武漢水運工程學(xué)院為代表開展了大量的特種風(fēng)帆的系列研究，其研究成果隨之應(yīng)用到了體育領(lǐng)域。鄭偉濤[5]綜述了這方面當(dāng)時的研究進(jìn)展。

為備戰(zhàn)巴塞羅那奧運會，在國家體育總局的資助下，開展了帆板和470項目的風(fēng)帆空氣動力性能研究。采用一定縮尺比的模型，在風(fēng)洞中對風(fēng)帆進(jìn)行了氣動性能試驗研究。研究的主要內(nèi)容為：風(fēng)帆在不同的帆型參數(shù)（如：拱度大小、最大拱度的位置）對氣動性能的影響以及不同帆失速角大小等。依據(jù)試驗結(jié)果，通過帆的極圖給出不同風(fēng)速、風(fēng)向和航向下的最佳操帆角。這些研究成果奠定了我國帆船帆板運動項目的理論基礎(chǔ)。

風(fēng)洞實驗還進(jìn)行了帆板的帆的攻角、扣角以及風(fēng)帆與人體的相對位置之間的關(guān)系等多種參數(shù)對風(fēng)帆氣動性能的影響。同時，還研究了470帆船雙帆相互的干擾情況，這些研究為風(fēng)帆的調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

與國際同行相比，國內(nèi)風(fēng)帆的研究還基本停留在試驗研究階段，同時也缺乏對競技運動帆型進(jìn)行基礎(chǔ)性和系列性研究，對運動訓(xùn)練的指導(dǎo)作用還應(yīng)進(jìn)一步加強。

2.2帆船帆板的水動力學(xué)試驗

1988年奧運會帆板比賽采用的是圓底板，其后采用的是MISTRAL (簡稱“米氏”板)，2008年奧運會將采用NEIL PRYDE RS：X(簡稱“NP”板)。根據(jù)國家帆板隊的需要先后對它們進(jìn)行了水動力性能試驗，為運動員對板的操縱提供科學(xué)依據(jù)。

帆板的水動力性能試驗研究在拖曳水池中進(jìn)行，測試帆板在不同橫傾、縱傾下的阻力，得出最佳的橫傾和縱傾角度，同時，還要進(jìn)行尾鰭和穩(wěn)向板插入不同深度和角度對板體水動力性能影響的試驗。

1988年通過對圓底板的拖曳水池的水動力試驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)圓底板橫傾25°左右阻力最小。分析其原因發(fā)現(xiàn)，橫傾以后板體的面積減小，同時橫傾以后尾鰭和穩(wěn)向板可以提供額外的升力。這一實驗結(jié)果，為運動員的傾板提供了科學(xué)依據(jù)，使得我國的傾板技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平，為在巴塞羅那奧運會上奪取帆板歷史上第一塊奧運會的銀牌做出了貢獻(xiàn)。

1988年奧運會以后改用“米氏”板，這是一種平底板。然而，由于未能及時對“米氏”板進(jìn)行深入的研究，我國的傾板技術(shù)依然沿用圓底板的經(jīng)驗，一直在實踐中摸索，雖然我國的男子運動員在2000年奧運會上奪取了第4名，但是一直未能有新的突破。為了備戰(zhàn)2004年奧運會，進(jìn)行了“米氏”板的平板試驗（2004年奧運會重點攻關(guān)項目《帆板最佳橫傾角和最佳航線選擇的研究》結(jié)題報告.武漢體育學(xué)院，2004年）。分析認(rèn)為“米氏”板與圓底板的水動力性能有很大差別，橫傾的角度要大大減小，大約在10°以內(nèi)阻力達(dá)到最小，隨著橫傾角度的增加，阻力急劇增加。與此同時，縱傾角度要比圓底板有所增加。試驗結(jié)果說明，“米氏”板的橫傾目的不是為了減小阻力，而是控制板的橫移，阻力的減小重點應(yīng)該放在板的縱傾方面。這為運動員對器材的調(diào)整提供了科學(xué)依據(jù)，為在2004年雅典奧運會上再次奪取銀牌做出了貢獻(xiàn)。

2008年奧運會將采用“NP”板，這種板型比“米氏”板更短更寬。在吸取以往的經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，首先開展了“NP”板的水動力性能研究。經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)，該板幾乎不需要進(jìn)行橫傾，板很容易進(jìn)入滑行狀態(tài)。雖然，2005年運動員都在忙于參加全運會的比賽，沒有時間進(jìn)行“NP”板的適應(yīng)訓(xùn)練，但是由于理論的指導(dǎo)，縮短了摸索的時間，中國女子帆板運動員在2006年4年一屆的帆船運動會上奪取了中國帆船歷史上第一個奧運級別的冠軍，中國男子運動員在2006年青島國際帆船賽上也奪取了金牌。

為備戰(zhàn)2008年奧運會，目前，正在進(jìn)行雷迪爾級別帆船的水動力性能試驗研究。與國際同行相比，在帆船的水動力性能研究方面還有不小的差距。

2.3賽艇、皮劃艇槳葉推進(jìn)的水動力性能

在國家自然科學(xué)基金委、霍英東教育基金委以及國家體育總局的資助下，從1994年起逐步開展了賽艇、皮劃艇槳葉的水動力性能研究[3]。其研究方法采用數(shù)值模擬和循環(huán)水槽試驗[6-8]。研究分析了攻角、浸水深度、斜角、槳頻、幅度等各種參數(shù)對常用的“Big Blade”(大刀片)賽艇槳葉性能的影響。研究表明，影響槳葉性能的主要因素分別是頻率、浸水深度、攻角。推進(jìn)效率最高的區(qū)域位于槳桿與船艇垂直時的角度附近，即槳架前后25°~30°左右。因而，對賽艇運動來講幅度不是決定性因素，它必須服從于槳葉在水下的速度要求，即高速拉槳的要求；不要過分追求劃槳幅度，以身體充分舒展為宜；更不能犧牲頻率來服從幅度。這些研究改變了國內(nèi)賽艇運動技術(shù)只強調(diào)動作幅度，忽視拉槳速度的傾向，為建立適合中國運動員身體特點的賽艇技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，研制了一種新型的柔性表面槳葉具有較好的流體動力性能，獲得了國家實用新型專利。本研究獲得了國家自然科學(xué)基金委的特別獎勵，還分別獲得了湖北省、國家體育總局科技進(jìn)步獎。

皮劃艇槳葉在空中沒有固定的支撐點，運動軌跡不定，水動力特性更為復(fù)雜。易名農(nóng)[9]通過循環(huán)水槽的實驗，研究了各種參數(shù)對皮劃艇槳葉水動力性能的影響，特別是研究了槳葉與船邊的距離對槳葉的干擾特性，為運動員正確的下槳提供了科學(xué)的依據(jù)。

但賽艇、皮劃艇槳葉的水動力性能上有許多問題未能得到解決，例如，槳與槳之間的干擾、槳與艇之間的干擾等等。

2.4賽艇、皮劃艇船艇阻力特性

賽艇、皮劃艇船艇的阻力特性是影響賽艇、皮劃艇運動成績的另一個重要因素。我國的賽艇、皮劃艇的船艇制造基本上是仿制國外取得過好成績的艇型，而國外每屆奧運會都能夠推出新的艇型。我國的賽艇、皮劃艇艇型的研制與設(shè)計工作幾乎是空白。

在國家自然科學(xué)基金委、國家體育總局的資助下，從20世紀(jì)90年代中期開始逐步開展了賽艇、皮劃艇船艇阻力特性的研究。鄭偉濤[10]進(jìn)行了兩種4人皮劃艇阻力特性的試驗對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同形狀的皮劃艇的阻力和所需功率的差異可以達(dá)到3%～5％，因此，對于500 m的比賽前3名的差異往往不到1 s，而同樣的運動員采用這兩種不同的艇成績相差可以達(dá)到3 s左右。由此可見，艇的阻力特性對皮劃艇成績具有重要的影響。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)研制了新的艇型，受到了教練員的好評。

葛新發(fā)[4]開展了賽艇船艇的水動力性能研究，對不同的賽艇艇型進(jìn)行了試驗研究并分析了賽艇阻力成分的構(gòu)成。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：賽艇的阻力隨速度的變化規(guī)律是不相同的。因此，訓(xùn)練時應(yīng)該充分考慮船速的影響。目前，國內(nèi)外賽艇對于訓(xùn)練速度的選擇都未充分考慮船速的影響，這對運動技術(shù)的完善是不利的。另外，賽艇的阻力特性與常規(guī)的船艇的阻力特性有很大的差別，雖然，賽艇的傅汝德數(shù)(運動流體的速度與微小重力波波速之比)達(dá)到了0.5~0.7，但是興波阻力只占總阻力的8%～10％。同時，水深傅汝德數(shù)接近1.0，但是也沒有發(fā)現(xiàn)興波阻力急劇增加的現(xiàn)象，試驗中也未見到孤立波的現(xiàn)象。這表明細(xì)長體（>10 m）的賽艇的興波阻力與常規(guī)艇有很大的差別。研究還發(fā)現(xiàn)不同艇的摩擦阻力差別不大，總阻力的差異主要體現(xiàn)在興波阻力上，因此，加強賽艇的興波阻力的研究非常必要。

為了進(jìn)一步研究賽艇的興波阻力的規(guī)律，在湖北省自然科學(xué)基金委的資助下，開展了賽艇興波阻力的數(shù)值模擬分析。文獻(xiàn)[11-13]介紹研究的一些最新進(jìn)展。

這些研究工作為我國賽艇、皮劃艇艇型的設(shè)計研究工作奠定了理論基礎(chǔ)，也為將來能夠研制出適合中國運動員身體特點的賽艇、皮劃艇打下了基礎(chǔ)。

我國雖然在艇的水動力性能預(yù)報方面做了不少的工作，但在艇型的設(shè)計研究方面基本上還是空白。

2.5蹼泳板的水動力學(xué)

蹼泳運動類似魚類的擺動推進(jìn)。魚類的仿生推進(jìn)有著很高的推進(jìn)效率，是一個極為復(fù)雜的流體力學(xué)現(xiàn)象。仿生推進(jìn)研究是國內(nèi)外流體力學(xué)界的一個研究熱點。在我國，仿生推進(jìn)研究一直是國家自然科學(xué)基金委近幾年來的重點資助研究領(lǐng)域，其推進(jìn)原理可以在將來廣泛地應(yīng)用到特種推進(jìn)器、深海機器人等領(lǐng)域，有著廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。蹼泳板就是這種推進(jìn)原理的一種應(yīng)用，是一種新型的、已經(jīng)用于實踐的“仿生推進(jìn)器”。

國內(nèi)的蹼泳板的推進(jìn)研究開始于20世紀(jì)80年代初期。當(dāng)時，國內(nèi)剛剛開展蹼泳運動，為了趕超世界先進(jìn)水平，開展了蹼泳板的水動力性能研究[14]。由于我國研制的蹼泳板水動力性能的不斷提高，在世界位于領(lǐng)先地位，1986年以來，平均每年都要奪得各種世界大賽20多枚金牌。目前，我國運動員仍保持著24個項目中的半數(shù)以上的世界紀(jì)錄。

2000年第10屆世界錦標(biāo)賽在西班牙舉行，俄羅斯不僅涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的年輕運動員，而且由于在腳蹼上的改進(jìn)，成績突飛猛進(jìn)，奪得了12枚金牌，而中國隊僅奪得了9枚金牌，10年來俄羅斯首次戰(zhàn)勝了中國隊。2001年在日本舉行的世界運動會上的10項蹼泳比賽中，俄羅斯獲得了8枚金牌，中國隊僅獲得了1枚金牌。中國隊落入歷史的最低谷。

為了改變這一落后局面，我國重新開展了新型蹼泳板的研制工作[15-16]。研制的新型蹼泳板在2002年6月全國體育大會上打破了3項世界紀(jì)錄，同年9月在第11屆世界蹼泳錦標(biāo)賽上中國隊一舉奪得了13枚金牌、8枚銀牌，并打破一項世界紀(jì)錄。俄羅斯獲得了9枚金牌。2004年在中國上海舉行的世界蹼泳錦標(biāo)賽上，奪得了13枚金牌，中國隊再一次確立了自己的世界蹼泳霸主地位。

3結(jié)語

運動器材的流體動力研究是體育工程學(xué)的一個重要方向。我國的水上運動器材的水動力性能研究起步較早，20多年來，與運動隊密切配合，緊緊圍繞提高訓(xùn)練科學(xué)化水平為目標(biāo)，對帆船帆板、賽艇、皮劃艇、蹼泳等器材的流體動力性能進(jìn)行了較為廣泛的長期研究，許多研究成果在訓(xùn)練實踐中得到成功應(yīng)用，為在世界大賽上奪取金牌打破世界紀(jì)錄作出了貢獻(xiàn)，同時也為設(shè)計高性能體育器材奠定了理論基礎(chǔ)。

雖然，我國水上運動器材的流體動力性能研究取得了令人矚目的成就，但是與國外同行相比，還存在較大的差距。其差距一方面表現(xiàn)在對帆船帆板、賽艇、皮劃艇的艇型以及帆型的研究還是個別的，應(yīng)用性的研究較多，缺乏基礎(chǔ)性、系列性的研究，另一方面僅進(jìn)行了器材的性能預(yù)報研究，對器材的設(shè)計研究幾乎是空白。

參考文獻(xiàn)：

[1] Ma Yong， Zheng Weitao， Han Jiurui. Sports applications for CFD analysis[C]//23rd International Symposium on biomechanics in Sports.Beijing，2005：143-146.

[2] 鄭偉濤，何海峰，馬勇，等．國內(nèi)外體育工程學(xué)的研究綜述[J]．武漢體育學(xué)院學(xué)報，2006，40(9)：73-80.

[3] 鄭偉濤.劃船槳葉水動力性能的數(shù)值模擬與試驗研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2000.

[4] 葛新發(fā).賽艇水動力性能和運動員機能的評定研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2004.

[5] 鄭偉濤.現(xiàn)代小型風(fēng)帆助航船[D].武漢：武漢水運工程學(xué)院，1985.

[6] 黃謙.賽艇槳葉的水動力性能試驗研究[D].武漢：武漢體育學(xué)院，1997.

[7] 鄭偉濤，韓久瑞．柔性賽艇雙槳槳葉水動力的試驗研究[J].水動力研究與進(jìn)展，2000(6)：163-168.

[8] 鄒克寧，鄭偉濤.賽艇運動中頻率、浸水深度、幅度之間的關(guān)系[J].體育科學(xué)，2001，21(6)：78-81.

[9] 易名農(nóng).皮劃艇槳葉的水動力性能研究[D].武漢：武漢體育學(xué)院，2000.

[10] 鄭偉濤，韓久瑞.兩種四人皮艇阻力性能的試驗研究[J].體育科學(xué)，1997，17(4)：64-67.

[11] 徐海洋，鄒早建，鄭偉濤.賽艇斜航行波水動力數(shù)值計算[C]//周連弟等．第五屆全國水動力學(xué)會議暨第十五屆全國水動力學(xué)研討會文集.北京：海洋出版社，2001(10)：247-251.

[12] 葛新發(fā)，馬勇，鄭偉濤，等.賽艇興波阻力的計算[J].武漢體育學(xué)院學(xué)報，2004，38(4)：64-57.

[13] Zheng Wei-tao， Ma Yong， Han Jiu-rui， et al. Hydrodynamic performance of the Rowing Hull[C]//23rd International Symposium on Biomechanics in Sports. Beijing，2005：913-916.

[14] 鄭偉濤.非定常升力面理論及在蹼泳板水動力性能研究中的應(yīng)用[D].武漢：武漢水運工程學(xué)院，1990.

[15] 馬勇.蹼泳板水動力性能數(shù)值模擬與試驗研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2004.

[16] 馬勇，鄭偉濤，鄒早建.蹼泳板水動力性能試驗研究[C]//第十七屆全國水動力學(xué)研討會暨第六屆全國水動力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集，2003：838-845.

[編輯：周威]