基于3D掃描儀的足球氣動(dòng)力性能研究

藺世杰+馬勇+劉林+雷曉珊

摘要：本文基于 Handyscan 3D 掃描儀進(jìn)行足球建模，并通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）對(duì)不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的足球進(jìn)行空氣動(dòng)力性能研究，分析不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的足球受力情況及飛行規(guī)律，為足球運(yùn)動(dòng)員提高射門(mén)技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：足球，掃描技術(shù)，空氣動(dòng)力

研究背景

足球運(yùn)動(dòng)是全球體育界最具影響力的單項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)，在巴西足球是文化生活的主流，稱之為大眾運(yùn)動(dòng)。在足球競(jìng)技中，現(xiàn)代足球不但在規(guī)則和比賽陣型等戰(zhàn)術(shù)層面有了很大的發(fā)展，而在在踢球技術(shù)上面也進(jìn)行了很多改進(jìn)和創(chuàng)新。對(duì)于 FIFA World Cup 是世界上最高榮譽(yù)、最高規(guī)格、最高競(jìng)技水平、最高知名度的足球比賽，巴西目前是捧得大力神杯最多的球隊(duì)，研究足球的發(fā)展是促進(jìn)全球體育進(jìn)步的基礎(chǔ)。在世界杯比賽中，射門(mén)技術(shù)是足球比賽中致勝的關(guān)鍵，“香蕉球”和“電梯球”是兩個(gè)極具魅力和美感的踢球方式，同時(shí)經(jīng)常在足球比賽的實(shí)戰(zhàn)中發(fā)揮威力?！跋憬肚颉笔侵缸闱蝻w行中在與地面平行的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)運(yùn)行的軌跡呈弧線型，可以繞進(jìn)球門(mén)，其物理原因在于球的側(cè)向旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)馬格努斯效應(yīng)，產(chǎn)生對(duì)足球的側(cè)向推力。最近三屆世界杯比賽足球情況如下：2006 年德國(guó)的世界杯進(jìn)球總數(shù) 144 粒，比賽用球 Teamgeist，這是一個(gè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約防水性能最好的 14 面足球；2010 年世界杯在南非舉行，總進(jìn)球數(shù)為 143 粒，比賽用球 Jabulani 由 8 個(gè)面組成，并且加入了球面技術(shù)三維立體結(jié)構(gòu)這項(xiàng)高科技和空氣動(dòng)力凹槽，旨在通過(guò)增強(qiáng)球在飛行過(guò)程中的穩(wěn)定性來(lái)提高球的可預(yù)見(jiàn)性；2014 年巴西世界杯 Barzuca 足球由 6 塊聚氨酯材料組成，它們讓球即使在瓢潑大雨中也能保持它本身的重量和形狀，帶來(lái)革命性的高速感和更圓的形狀，這次世界杯總進(jìn)球數(shù) 162 粒，最大的比分發(fā)生在準(zhǔn)決賽巴西以 1：7 戰(zhàn)敗德國(guó)止步捧杯，巨大的分差不得不讓我們懷疑足球的氣動(dòng)力性能發(fā)生了變化。近三屆世界杯足球的縫合及組成面數(shù)發(fā)生了變革，其在空氣中飛行的穩(wěn)定性以及球速影響需要科研人員進(jìn)行研究。簡(jiǎn)單的物理研究發(fā)現(xiàn)受重力和大雷諾數(shù)阻力下的球體在不同發(fā)射速度可以觀察到兩種不同的軌跡：當(dāng)初速度小于末速度時(shí)，球體軌跡為經(jīng)典的伽利略拋物線；當(dāng)發(fā)射速度超過(guò)末速度時(shí)軌跡不再是拋物線，而是塔爾塔利亞的非對(duì)稱曲線。在兩種極限下，軌跡呈現(xiàn)出豎直的漸進(jìn)軌跡（空氣阻力壁），在這種狀態(tài)下足球的旋轉(zhuǎn)對(duì)飛行方向的改變至關(guān)重要，也是“香蕉球”和“電梯球”的本質(zhì)原因。足球的空氣動(dòng)力性能研究可以科學(xué)全面的剖析足球的受力情況以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)員通過(guò)控制腳的踢球位置和用力來(lái)合理的控制足球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保證較高的進(jìn)球效率，鞏固俱樂(lè)部隊(duì)伍及國(guó)家代表隊(duì)的競(jìng)技地位。目前，對(duì)于足球的科研研究主要集中在運(yùn)動(dòng)生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)方面等方面，在足球氣動(dòng)力性能方面存在較大空缺。近幾年，3D 掃描技術(shù)逐步的發(fā)展，在影視設(shè)計(jì)、建筑工程、逆向工程均有應(yīng)用，隨著器材的發(fā)展精度越來(lái)越高。本文基于 Handyscan 3D 掃描儀進(jìn)行足球建模，并通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）對(duì)不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的足球進(jìn)行空氣動(dòng)力性能研究，分析不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的足球受力情況及飛行規(guī)律，為足球運(yùn)動(dòng)員提高射門(mén)技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

研究方法

本文采用 3D 掃描技術(shù)，基于 Handyscan 3D 掃描儀對(duì) Nike 標(biāo)準(zhǔn) 5 號(hào)足球進(jìn)行掃描，通過(guò) Geomagic studio 軟件逆向建模。整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格通過(guò) ICEM CFD 進(jìn)行劃分，網(wǎng)格類(lèi)型為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格單元總量約為 200 萬(wàn)，足球近壁面進(jìn)行加密，足球壁面到第一個(gè)鄰近網(wǎng)格的距離調(diào)節(jié)為 + = 10～60。利用 CFD 數(shù)值仿真方法，通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，采用 SST K-ω湍流模型模擬了速度為 8m/s，旋轉(zhuǎn)角速度為 2π/s、4π/s 的足球前、后、側(cè)旋球 6 種工況的空氣動(dòng)力性能。

研究結(jié)果

Handyscan 3D 掃描儀掃描的結(jié)果是點(diǎn)云，需用 Geomagic studio 將三維掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成精確的三維數(shù)字模型，進(jìn)行掃描細(xì)節(jié)瑕疵的修復(fù)，將補(bǔ)充完整 5 號(hào)足球的精確數(shù)字模型轉(zhuǎn)換成 IGES 格式進(jìn)行輸出，便于 CFD 數(shù)值仿真方法 FLUENT 計(jì)算模型的創(chuàng)建需要。

FLUENT 中的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)有效的模擬足球壁面隨時(shí)間變化而旋轉(zhuǎn)引起氣流變化即足球旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的氣動(dòng)力性能研究。

通過(guò)速度云圖觀察，足球兩側(cè)的速度分布大小不一，足球前旋上方速度略高于下方速度，后旋球足球上方速度略低于于下方速度；壓力云圖觀察足球兩側(cè)壓力大小不一，前旋球足球上方壓力略低于下方，后旋球足球上方壓力略高于于下方；前后旋的流線渦線圖不一致，前旋球的渦線偏下，后旋球渦線偏上。這是因?yàn)樵诳諝庵械淖闱颍捎诓煌D(zhuǎn)作用導(dǎo)致的。足球的不同旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致足球的方向、軌跡有所變化。足球 4π/s 旋轉(zhuǎn)角速度比 2π/s 旋轉(zhuǎn)角速度的運(yùn)動(dòng)弧度要大。

研究結(jié)論與建議

本文研究通過(guò)掃描技術(shù)建模和數(shù)值仿真模擬足球旋轉(zhuǎn)時(shí)的氣動(dòng)力性能可以發(fā)現(xiàn)，Handyscan 3D 掃描儀滿足足球的仿真需求，Geomagic studio 將三維掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成精確的三維數(shù)字模型是逆向工程中的關(guān)鍵。動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)適合旋轉(zhuǎn)的足球仿真建模。通過(guò)對(duì)足球氣動(dòng)力計(jì)算結(jié)果分析，足球運(yùn)動(dòng)中足球的旋轉(zhuǎn)形式在射門(mén)技術(shù)中起了重要作用。足球的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度均會(huì)影響足球的運(yùn)動(dòng)軌跡?；《群托D(zhuǎn)角速度成正相關(guān)關(guān)系，前旋球飛行距離相對(duì)遠(yuǎn)，適合傳空中球。后旋球會(huì)提前下墜，適合凌空門(mén)球。側(cè)旋球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和前后旋球相似。本研究探索了旋轉(zhuǎn)對(duì)足球運(yùn)動(dòng)的影響，明確了單一旋轉(zhuǎn)對(duì)足球運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，對(duì)足球運(yùn)動(dòng)員射門(mén)技術(shù)提高提供科學(xué)理論基礎(chǔ)，速度變化、混合復(fù)雜旋轉(zhuǎn)還需進(jìn)一步研究。

致謝

本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51279154）、湖北省自然科學(xué)基金杰出青年基金（2013CFA038）、霍英東教育基金會(huì)高等院校青年教師基金（141112）、湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃（T201320）資助。

參考文獻(xiàn)：

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[3]孟令峰. 近兩屆世界杯、歐洲杯足球比賽進(jìn)球的研究[D].[碩士論文].石家莊：河北師范大學(xué)，2007.