体育论文哪里有？本研究所使用的基于多体运动的水下海豚泳打腿数值模拟方法具有一定可行性。在运动员进行水下海豚泳打腿的过程中，流场中速度梯度较大的区域，涡结构从运动员的身体表面脱落。涡结构的脱落主要发生在运动幅度较大的下肢，且伸展打腿阶段和屈曲打腿阶段脱落的涡结构不同。
1. 前言
游泳运动有着悠久的历史。早在公元前2500年，就有关于人们练习游泳的记载。国际奥林匹克委员会每4年举行一次的奥运会是世界上规模最大的游泳赛事。自1896年第一届现代奥林匹克运动会以来，游泳一直是奥运会的重要比赛项目。游泳项目的金牌数和奖牌数仅次于田径，是奥运会上的第二大项，也是各国争夺奥运会金牌和奖牌的重点项目。在过去的9届奥运会中，中国运动员在游泳项目中一共收获了13枚金牌，19枚银牌和9枚铜牌。2021年东京奥运会将新增3个游泳比赛项目，奥运会中游泳项目的金牌和奖牌数达到历史新高，其中很多项目，我国都具有争夺奖牌甚至金牌的实力。
游泳比赛中，不同泳姿的运动员在每次出发和转身之后都会使用水下海豚泳打腿技术（Submerged dolphin kick stroke）。已经有研究表明水下海豚泳打腿表现对比赛成绩有一定影响[15][16][17]。为了获得更好的水下海豚泳打腿表现，科研人员已经进行了一系列研究。传统的生物力学研究主要使用高速摄像机对游泳运动员的水下海豚泳打腿画面进行视频捕捉，并进行运动学分析。然而，由于游泳运动的特殊性，使用传统的方法很难获得运动员游进过程中受到的力。随着流体力学理论、计算机工程以及数值模拟技术的发展，科研人员将计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟技术应用到水下海豚泳打腿的研究之中。Lyttle 和 Keys 采用准稳态方法首次实现水下海豚泳打腿的数值模拟[52][53]。Von Loebbecke 等人采用侵入边界法模拟了男、女各一名奥运会级别游泳运动员的水下海豚泳打腿动作[12]。Cohen 等人使用光滑粒子流体动力学方法研究了不同打腿频率和不同踝关节跖屈-背屈角度对水下海豚泳打腿的影响[57]。Yamakawa 等人使用非结构化滑移网格有限体积法模拟了一名男性游泳运动员的海豚泳打腿动作[58] [59]。我国的李天赠及其研究团队在前期高逼真度游泳滑行数值模拟研究[8][27][28][29][31]的基础上，提出了基于多体运动的游泳通用三维数值模拟方法，并将该方法应用于水下海豚泳打腿的研究[2]。与试验方法相比，计算流体力学模拟技术具有成本较低，可重复性高，能够对流体运动的本质性问题进行解释等优点[7]。
3. 研究方法
3.1. 游泳运动员模型处理
3.1.1. 游泳运动员模型扫描
本研究选择一名大学生游泳运动员（年龄 21 岁，身高 178cm，体重 78kg）作为扫描对象。游泳运动员保持流线型姿态站立，使用人体专用 3D 扫描仪 ZBOT SCAN-1X 对游泳运动员整体形态进行扫描（图 3-1）。由于使用此扫描仪无法得到游泳运动员足部的完整数据，故另使用手持式光学 CMM 扫描仪 Tolerance MetraSCAN 3D 对游泳运动员足部进行扫描（图 3-2）。
5. 讨论
5.1. 方法的可行性
使用本研究方法控制游泳运动员模型各环节运动，得到的水下海豚泳打腿一个周期内的动作与 Cohen 等人[57]的研究中提供的水下海豚泳打腿动作常接近。尽管如此，本研究中运动员模型部分时刻的姿态与 Cohen 等人的研究依然存在一定差异。例如，在每个周期的初始时刻（0T）和结束时刻（1T），本研究中运动员的脚尖位置略高于 Cohen 等人的研究（运动员面向下打腿）。其原因可能是：（1）两种方法所选择的运动员身体形态不同，运动员各环节的长度比例不同，在各关节角度相同的情况下，运动员的整体姿态依然会有所差别；（2）两种方法对运动员模型的处理方式不同，Cohen 等人使用动画软件 Maya 控制运动员模型整体形变，以达到不同的运动姿态，而本研究将运动员模型划分为多个刚体，通过控制各个刚体的运动来模拟水下海豚泳打腿过程。例如，Cohen 等人使用动画软件 Maya 能够更好地模拟水下海豚泳打腿过程中脊柱的弯曲，而在本研究中，运动员模型的躯干仅被分为胸部和腰腹部两部分刚体。但是，使用本研究方法能够得到不同运动环节的受力情况，这是 Cohen 等人的研究方法所不能实现的。
本研究中，运动员水下海豚泳打腿过程中受到的净流向力的正负峰值均小于Cohen 等人的研究结果，造成这种数值差异的原因可能是运动员本身身体形态的不同，来流速度的不同，运动员模型运动姿态的细微差别，以及，打腿时运动员面朝方向的不同。在 Cohen 等人的研究中，来流速度为 1.5m/s，运动员面朝水面打腿，而本研究中，来流速度为 1.7m/s，运动员面朝池底打腿。但是，总体来看，本研究中净流向力的变化趋势与 Cohen 等人的研究结果基本一致，而与 Von Leobbecke 等人[12]的研究结果存在较大差异。在 Von Leobbecke 等人的研究中，男女运动员开始屈曲打腿和伸展打腿之前，均出现阻力的峰值，开始屈曲打腿和伸展打腿之后，均出现推进力的峰值，且伸展打腿阶段推进力的峰值明显大于屈曲打腿阶段推进力的峰值，但两个阶段的阻力峰值较为接近。造成本研究结果与Von Leobbecke 等人的研究结果之间差异的原因可能是不同运动员的打腿模式不同。在 Von Leobbecke 等人的研究中，伸展打腿开始后，女运动员的净流向力持续增大，直至出现推进力最大的峰值，而在男运动员的推进力最大的峰值出现前有一个明显的阻力峰值。不同运动员所使用的打腿模式不同，导致了净流向力趋势的差异。
5.2. 流场特性
在水下海豚泳打腿过程中，水流的水平方向速度与运动员的身体姿态有关。当水流流经运动员模型表面的突起部位（如额头、臀部和足跟等部位）时，流速增加，当水流流经运动员模型表面的凹陷部位（颈部和腰部等部位）时，流速减慢。同时，水流的水平方向速度还与运动员的运动有关。在屈曲打腿第二阶段（图4-3 中 0.4 ~ 0.6T），运动员的髋关节和膝关节屈曲，相同时间内，水流流经运动员臀部和膝关节前侧的路径增长，流速增加，同时，大腿和小腿与水流流相向运动，给水流一个与来流方向相反的冲量，大腿腹侧和小腿背侧的流速减慢，在运动员的大腿后方形成了一个速度梯度较大的低速区域。在伸展打腿阶段（图 4-3中 0.7 ~ 1T），随着髋关节和膝关节的伸展，运动员的臀部和腿部周围流速逐渐接近来流速度（1.7m/s），大腿后方的低速区域也随着水流向后向下运动至膝关节下方，并逐渐远离人体。
复杂非定常流动的动力学可以用流动中产生的涡结构来描述[60]。在水下海豚泳打腿过程中，运动员模型周围速度梯度大的部位（如头部、臀部和下肢），涡量较大，而在速度梯度小的部位（如躯干和上肢），涡量也较少。涡结构的脱落主要发生在运动幅度较大的下肢[12]，且涡结构的运动与速度梯度较大的区域一致。屈曲打腿技术和伸展打腿技术的不对称性造成了水下海豚泳打腿过程中运动员周围流场的不对称性[57]。在伸展打腿结束时，大型的涡结构从运动员的膝关节和足部脱落，而在屈曲打腿过程中，一系列小的涡结构从运动员足部脱落。在很多水生动物的游进尾迹中，也观察到了类似的涡结构[61][62][63][64]。已经有很多研究表明，这些涡结构与水下海豚泳打腿过程中的推进力密切相关[12][18][59][65]。
6. 结论
本研究所使用的基于多体运动的水下海豚泳打腿数值模拟方法具有一定可行性。在运动员进行水下海豚泳打腿的过程中，流场中速度梯度较大的区域，涡结构从运动员的身体表面脱落。涡结构的脱落主要发生在运动幅度较大的下肢，且伸展打腿阶段和屈曲打腿阶段脱落的涡结构不同。推进力主要产生于伸展打腿阶段，且主要来自运动员的足部。髋关节屈曲角度对净流向力有一定影响，伸展打腿结束时，当髋关节的屈曲角度从 20°增大至 30°，运动员受到的阻力减小；踝关节内收角度对净流向力的影响较小。
参考文献（略）
