仿真技术赋能赛艇装备升级，助力德国奥运再创辉煌

在奥运历史舞台上，划船类项目属于最早的比赛项目。早在1896 年雅典奥运会，赛艇就应该成为奥运项目，但由于天气原因不得不推迟到1900 年巴黎奥运会。划艇和皮艇项目则是在1936 年的柏林奥运会首次亮相。在现代奥运会的历史中，德国在赛艇、划艇和皮艇项目上赢得的奖牌数比其他任何国家都要多。近年来，德国在此类项目中的传统优势得到了延续，其中运动装备研究院（德语缩写FES）的工程技术革新功不可没。

FES 在运动装备领域的成功最早可以追溯到力学原理的自行车，其最新的成就包括为2006 年意大利都灵冬奥会设计更具流线结构的橇，1988 年为韩国首尔奥运会设计出更符合空气动FES 一直致力于利用最新的工程技术开发运动装备，并不断在国际市场取得成功。十几年来，该公司一直将数值仿真技术作为一项重要的工程工具，FES 的工程师利用ANSY CFX 为不同类型的赛艇优化流体动力学。他们的努力使德国赛艇队在2012 年伦敦奥运会上发挥出色并获得多枚奖牌。

稳态下自由表面波浪等高线（用颜色区分）：上图为单人划艇（C1）；下图为单人皮艇（K1）

最近，FES 将仿真的重点集中在较小的赛艇, 特别是双人单桨赛艇和K-1、K-2和K-4 （单人，双人和四人对）皮艇。从建造和仿真的观点来说，FES 认为分析这些更小的赛艇很有意义；尽管构建小赛艇所需的材料较少，但优化的难度却很大。例如，单人皮艇的长度不能超过17 英尺（5.2 米）， 最小重量仅为26 磅（12 千克）。赛艇表面可供修改的面积相对较小，同时需要考虑周围的空气流、水流、自由表面以及复杂的边界条件，因此仿真是设计过程中必不可少的重要组成部分。

K1皮艇在水面产生的波浪形状俯视图。黄色和红色表示高于无扰动水面（绿色）；蓝色和浅蓝色表示低于无扰动水面（绿色）。

于双人单浆赛艇来说，减小阻力是首要的优化目标。在千分之一秒决定胜负的激烈赛事中，即便是1% 的提高都可以对比赛结果产生重要影响。引起阻力的主要原因是潮湿表面的摩擦力和划船时形成的波浪。其他因素包括重心位置和赛艇的排水量。在仿真过程中，研究人员发现对于赛艇在水中位置固定不变的初始假设是不正确的，这一点显而易见，因为仿真结果与在船模试验池中进行比例模型实验得出的结果相比有很大出入。

为了纠正这个问题，FES 的工程师采用可集成自定义FORTR AN™ 子程序的CFX Expression Language 来自动确定船体的可变浮动位置，而这个位置取决于计算过程中的实际速度。每次迭代过程都要计算船体的最新浮动位置，同时网格结构也会发生变形。工程师利用ANSYS ICEM CFD 生成一个包含300 万个单元的结构网格，用以在合理的计算时间之内执行大量瞬态仿真。

为取得更好的仿真效果，FES 团队与来自CFX 柏林（ANSYS 的渠道合作伙伴）的专家进行交流。CFX 柏林不仅提供网格剖分和仿真方面的支持，还帮助FES 建立针对Linux® 和Windows® 硬件的高性能计算集群（HPC）。对移动船体的瞬态仿真曾经非常昂贵，但是现在仅需两三天即可完成。

利用HPC，FES 团队可对每类赛艇的20种不同虚拟设计方案进行高效评估，这样工程师就可以胸有成竹地针对挑选出的最佳设计方案构建测试原型。因为全世界静水冲刺赛道的条件都相同，因此仿真的目标不是准确复制船模试验池的测试结果；而是理解不同艇体在相同边界条件下的性能差异。根据数值计算的结果，优化后的船体外形可以减小潮湿表面的摩擦以及波浪的形成，从而可以减小总阻力，帮助德国队向奖牌发起冲击。

划艇浆叶表面网格和周围流体区域网格的近距离视图

除了赛艇的流体动力学之外，FES研究的主要内容还包括划桨方式。划艇和皮艇的划行过程包含驱动过程和恢复过程，驱动过程推动船体前进，恢复过程中船体开始减速。相应的循环频率对沉浸、调整、拖拽阻力和提升的变化有影响。尽管多项参数和影响因素很大程度上取决于运动员的个人习惯，但可以利用仿真实现一些重要的设计步骤，用以优化浆板的结构。

在赛艇优化过程中，运动员也积极参与研发过程，因为装备的变更需要奥运代表队成员在使用时做出相应的调整，才能充分发挥仿真驱动设计方案变更所带来的优势。这种合作非常必要，因为在大赛之前，顶级选手不愿意冒着风险来改变自己的惯用动作或已经适应的划桨技术。

帮助德国赛艇运动员取得成功是FES 工程师的最大动力，这一目标鼓励他们克服技术挑战，不断完善和提高划桨设计和赛艇性能。

浆触水过程中浆叶的划动顺序：划艇浆（顶部）；皮艇浆（底部）

FES的工程师利用ANSYS软件为不同类型的赛艇优化流体动力学，FES的努力使德国赛艇队在2012年伦敦奥运会上发挥出色并获得多枚奖牌。

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