——千眼狼高速摄像机在游泳推进、赛艇水动力与竞技装备减阻研究中的应用

摘要：围绕国家重点研发计划“科技强体”重点专项相关研究方向，本文讨论PIV流场测量在游泳推进、赛艇桨叶水动力及竞技装备减阻研究中的应用方法。

游泳划水、赛艇划桨及竞技装备绕流，都涉及随时间变化的流体运动。动作图像可以记录人体或器材如何运动，测力设备可以获得相应载荷，PIV粒子图像测速则提供测量区域内的速度场信息。千眼狼高速摄像机结合PIV测量方案，可用于记录示踪粒子运动，分析局部流动、尾流和涡结构，为推进机理、装备减阻及计算流体力学模型验证提供实验数据。推力、阻力和效率的评价，仍需结合测力、运动学数据或经过验证的流体力学计算。

游泳时，两次看起来相似的划水，为什么产生不同的推进效果？赛艇桨叶沿相近路径运动，水动力响应为什么会变化？两种骑行姿态的阻力不同，差异主要发生在哪些流动区域？

这些问题需要同时观察运动对象和周围流体。

高速动作图像可以记录手、脚、桨叶或装备的运动过程。PIV进一步测量相应区域的流体速度，使研究人员能够将动作、流动变化与力学响应对应起来，分析差异形成的过程。

一、PIV测量什么

PIV（Particle Image Velocimetry）即粒子图像测速，它通过相邻时刻的示踪粒子图像进行相关计算，根据粒子图像群的位移与时间间隔，估计测量区域内的流体速度。

PIV通常首先得到速度矢量场，可以由速度场进一步计算相应速度梯度、涡量及统计量。

不同配置对应不同测量范围：

时间分辨PIV（TR-PIV）描述的是连续获取速度场的时间采样能力，可以与上述空间配置结合使用。是否需要时间分辨测量，取决于研究对象的变化速度及所关注的过程。

PIV首先提供速度数据。压力、壁面剪切应力、推力和阻力，需要相应计算方法、边界条件或其他测量支持。

二、高速摄像机在PIV系统中承担什么任务

游泳划水和赛艇划桨的速度、方向及周围流场随动作阶段变化。连续图像有助于记录涡结构的形成、移动、脱落和相互作用过程。

在时间分辨PIV中，高速摄像机用于连续记录示踪粒子图像，为分析流场演化提供时间采样。千眼狼高速摄像机可作为相应方案的图像采集设备，与照明、示踪、同步及PIV分析软件共同构成测量系统。

常规PIV并不一定使用高速摄像机；是否需要时间分辨采集，应由研究问题决定。持续记录快速变化的流动时，高速成像的价值才更为突出。

三、游泳研究 将动作与周围流动对应起来

1.划水推进：观察流动怎样随动作变化

手掌方向、运动速度和加速过程都会影响周围流动。PIV可以用于观察手部附近及其尾流中的速度分布、涡结构变化，并与动作时刻对应。Takagi等人的机器人手臂研究同时测量了手部水动力、表面压力和周围流场，分析了涡结构与非定常力生成之间的联系。该研究说明，划水分析需要关注动作过程中的流动变化，而不只是手掌某一时刻的速度或角度。这一方法可为游泳科研提供参考：在可重复的划水试验中，改变手部路径、方向或节奏，观察流场与测力结果如何共同变化。

2.打腿研究：分析局部射流与尾流

在打腿模型或可控机构试验中，可以将脚部运动与周围速度场同步记录，观察腿脚附近流动及尾流如何随周期变化。这类测量有助于比较不同幅度、频率和动作时序下的流动响应。射流速度、涡量或尾流形态可以作为分析线索。

3.滑行与减阻：研究姿态变化对应的流动差异

人体模型或可重复滑行试验，可以用于比较姿态、深度和相对流速变化下的局部绕流与尾流。

PIV可帮助研究人员检查流动分离、尾流速度分布和非定常变化。整体阻力可由摩擦、压力及自由液面相关效应共同构成。完整分解各项阻力成分通常需要结合全身流场结果进行分析。

四、仿生鱼流场如何支撑游泳技术研究

仿生机器鱼提供可控、可重复的运动模型。结合PIV技术，研究人员能够系统改变摆动幅度、频率和运动时序，测量局部速度、尾流与涡结构，揭示运动参数和来流条件对流场的影响。

仿生鱼流场研究虽以鱼类运动和水工环境为对象，却能为游泳训练提供方法借鉴：先通过模型试验筛选关键动作参数，再用更接近人体腿脚形态和运动路径的机构验证，最后结合人体动作、速度、能耗和功率等数据，评估其技术价值。

图 不同障碍物条件及运动相位下，仿生机器鱼周围的v速度分量分布

仿生鱼PIV研究可帮助游泳科研聚焦打腿幅度、频率和动作时序等关键变量，观察其对周围流动、尾流形态和推进效果的影响，并进一步分析这些流场特征与游泳速度、能耗及力学表现之间的关系。

由此，PIV能够为训练动作优化提供流场依据：模型试验用于发现规律和提出假设，人体试验用于验证动作变化与实际表现的联系，训练调整则结合运动员能力、动作质量和重复测试结果综合判断。

五、赛艇研究：同步观察桨叶运动、水动力与流场

赛艇桨叶在入水、驱动和出水过程中，经历不断变化的运动与加载。PIV可用于分析桨叶附近流动，并将涡结构发展与桨叶位置、方向和力信号对应起来。

桨叶水动力 解释力曲线中的变化

在可控桨叶试验台上，可以复现设定的运动路径，同步记录桨叶运动、水动力及速度场，检查某个力峰值或变化阶段对应的流动现象。

Grift等人在桨叶试验中同步开展时间分辨PIV与测力，分析了前缘涡、后缘涡及非定常水动力，并比较了不同桨叶安装角下的推进指标。

图 搅拌桨叶研究中的传统和刚柔叶片的涡度与V方向速度分量

柔性桨叶 研究变形与流动的关系

如果桨叶在加载中发生明显变形，可以根据试验目标联合使用DIC、PIV及测力：

? DIC记录可见表面的形状与变形；

? PIV测量附近流体速度；

? 测力设备记录整体载荷或指定测点的载荷。

三类数据同步后，可用于研究“桨叶怎样变形、流动怎样变化、力学响应如何改变”。

六、竞技装备减阻 PIV用于解释整体性能差异

1 自行车与骑行装备

骑行姿态、头盔、服装和车体几何共同影响绕流。整体阻力测试可以比较配置差异，PIV及相关流场测量可以补充尾流速度分布和流动结构。

已有全尺寸骑行人台研究采用大尺度粒子跟踪测速（PTV），结合控制体分析估算阻力，并与测力天平比较。

PTV跟踪可识别粒子，PIV通常通过粒子图像群的相关计算求取位移， 局部尾流变窄或某个涡结构减弱，可以作为进一步分析的线索。

2运动服与泳装

面料纹理、接缝、贴合程度和褶皱会改变表面流动条件。PIV可以参与试片或人台周围的流动研究，比较速度剖面、局部尾流或分离变化。

近壁速度测量受反光、粒子成像及空间分辨率限制。摩擦阻力或壁面剪切应力分析需要相应近壁数据和方法，整体减阻效果则应由力测量或经过验证的阻力计算支持。

七、千眼狼高速摄像与PIV进入训练与仿真研究

PIV提供实际试验条件下的速度数据，与计算流体力学（CFD）比较时，须统一坐标、边界条件、测量位置和时间或统计基准。

开展体育科学课题，配置千眼狼高速摄像机与PIV方案时，可先明确：

研究哪个过程：是手部划水、腿脚运动、桨叶驱动，还是装备尾流。

测量哪个区域：是局部平面、较大尾流截面，还是需要三维体积信息。

需要何种时间信息：是平均流场、相位对照，还是连续记录非定常变化。

怎样获得性能依据：是否需要同步测力、压力、运动轨迹、变形或功率数据。

现有平台能否支持测量：水槽、拖曳水池、风洞和训练现场，对观察窗、照明、示踪及相机安装的要求不同。

千眼狼（Revealer）高速摄像机与PIV测量方案的研究价值，在于为快速变化的流动提供连续、可分析的图像和速度数据。将这些数据与动作及力学响应对应，研究人员才能进一步解释游泳推进、桨叶水动力和竞技装备减阻中的具体问题，并据此设计下一轮试验。