基于计算流体力学的游泳动态数值模拟研究进展

雩风三日

基于计算流体力学的游泳动态数值模拟研究进展

        通过分析游泳运动员与水的相互作用关系，探索游动过程中阻力与推进力的产生机理，进而提出技术动作的优化方案，实现降低阻力提高推进效率的目的，是当前提升竞技游泳性能最为有效的手段之一。随着计算机科学的快速发展，计算机数值模拟技术在研究游泳阻力与推力的产生机理方面展现出巨大的潜力。然而，由于游泳技术动作及人体结构的复杂性，开展游泳运动的动态仿真研究仍然是计算机数值模拟技术工程应用的一大挑战。研究旨在通过介绍近几十年来基于计算流体力学的游泳动态数值模拟研究进展，指出不同研究方法的特点和局限性，并探讨相关的发展趋势。

        计算机模拟技术作为一种新的游泳研究手段在解释游泳运动机理及提升游泳性能中显现出巨大的潜力，是今后进行游泳科学研究的热点。目前，国外游泳科研人员针对复杂的游泳问题提出了基于数值求解的动网格法、浸入边界法、无网格光滑粒子流体动力学法，以及基于动力学理论游泳运动员模型方法等方法，极大地促进了计算机模拟技术在游泳研究中的应用。我国在相关领域的研究起步较晚，与国外发达国家存在着较大的差距，但近年来，随着部分国内科研工作者的不断努力，基于计算机模拟技术的游泳运动研究得到了较快的发展，提出了一些切实可行的解决思路，丰富了游泳运动的研究手段和研究方法。

        游泳动态运动的模拟仿真是计算机模拟技术工程应用中最具挑战性的问题之一，虽然近10多年来数值模拟方法在游泳运动中的应用得到了较快的发展，但从研究的现状来看，目前的研究方法还存在着一定的局限性，需进一步深化研究和探索：

       1.基于欧拉描述的网格更新方法始终无法很好满足对高复杂度的游泳技术动作数值模拟要求。建立既能够满足复杂游泳技术动作要求同时又可保证计算可靠性的新的模拟仿真策略，依然是开展游泳动态研究的关键；

       2. 复杂的游泳动态运动数值模拟验证较为匮乏，未能很好支撑当前计算方法的可靠性。为了能够快捷、准确地获取定量的游泳运动测试数据，可进行高仿生游泳运动试验平台的搭建（利用高仿生的肢体替代真实运动员，获取模拟打腿/划动过程中的压力、推力、流场变化等验证数据）
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关键词：游泳；计算流体力学；数值模拟；动态运动

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