《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》期刊发表了赫瑞瓦特大学工程与物理科学学院机械、过程与能源工程研究所的题目为“CFD simulations of running aerodynamics: Impact of computational parameters”的论文。此论文系统性地探讨了计算流体动力学（CFD）在跑步空气动力学模拟中关键计算参数的影响，并通过风洞实验验证了CFD结果的可靠性。
一、研究背景与意义
跑步空气动力学的重要性：跑步是田径运动的基础项目，空气阻力对运动员表现具有显著影响（例如，中长跑中空气阻力能耗占比可达7.5%，短跑中可达13%）。
CFD的潜力与挑战：CFD已成为研究运动空气动力学的重要工具，但其结果的可靠性高度依赖于计算参数的选择。目前针对跑步空气动力学的CFD研究缺乏系统参数分析，且常使用简化几何模型或未经验证。
二、实验验证
实验验证：在Southampton大学的R.J. Mitchell风洞中对全尺寸女性跑步人模进行测试，测量其阻力面积（CDAC_DACDA）。
实验条件：风速10 m/s，湍流强度0.2%，阻塞比（BR）为4.8%。
三、CFD模拟设置
几何模型：基于3D扫描的真实跑步人模（身高1.76米，跑步姿态）。
计算域：参考城市流动CFD最佳实践，设置大域（阻塞比0.82%）作为基准，并逐步调整参数。
网格生成：使用ANSYS Fluent Meshing生成非结构化网格，包括表面三角形网格、近壁棱柱层和四面体体积网格。
湍流模型：重点评估了6种模型（SA、Rk-ε、SST、γ-SST、T-SST、SAS），其中T-SST为基准模型。
边界条件：均匀入口风速（8 m/s用于参数分析，10 m/s用于验证）、对称边界、无滑移壁面。
表面网格：最小网格尺寸（1–2 mm）、最大尺寸（2–10 mm）和曲率法向角（10°–20°）的变化对阻力面积影响有限（最大偏差1.1%）。
推荐参数：最小尺寸1 mm、最大尺寸4 mm、曲率角15°，以平衡精度与计算成本。
近壁棱柱层：第一层高度需确保y+<5（推荐y+=0.03 mm，对应y+mean=0.44）。
棱柱层数量（10–30层）影响较小（偏差<0.9%），推荐15层。
尾流区域网格：尾流网格粗化对阻力预测影响可忽略（偏差<0.4%），可适当粗化以节省计算资源。
上下游距离：上游距离（UD）在无滑移地面条件下对阻力有轻微影响（UD从1.5H增至5.5H，阻力减少2.1%）。下游距离（DD）影响可忽略（偏差<0.7%）。推荐参数：UD=3.5H，DD=5H。
阻塞比（BR）：BR>3.5%会导致阻力高估>2.8%；BR>4.5%时误差线性增长（BR=6.5%时误差达6.6%）。推荐BR应控制在1.5%以下，若风洞实验BR较高，CFD需复现实际风洞几何以准确验证。
最佳模型：γ-SST、T-SST和SAS模型与实验数据吻合最佳（偏差<2%）。
T-SST等转捩敏感模型能准确捕捉边界层转捩和分离，适用于人体复杂流动。
不推荐模型：SA模型偏差-16%，单方程模型灵活性不足。Rk-ε模型偏差-32%，近壁模拟和分离预测能力较差。
在复现风洞几何的计算域中（BR=4.8%），CFD结果与实验数据对比显示：γ-SST、T-SST和SAS模型的阻力面积预测误差均低于2%。流场可视化（如速度云图）进一步证实了这些模型在尾流结构模拟上的准确性。
局限性：仅研究单一跑步姿态和体型，未考虑动态步态（如摆臂、腿部交替）。仅分析0°迎风角，未涵盖侧风或顺风条件。未研究多运动员编队（drafting）的气动相互作用。参数分析为单变量敏感度研究，未考虑多参数耦合效应。
未来工作：扩展至不同体型、动态姿势、多跑步者编队及复杂风况的模拟。开发针对跑步空气动力学的专用修正方法和最佳实践指南。
本研究为跑步空气动力学的CFD模拟提供了系统参数指导，可助力运动员装备优化、比赛策略制定及运动工程研究，并为类似人体流动模拟（如自行车、滑雪）提供参考。
详细内容可查看论文原文：https://doi.org/10.1016/j.jweia.2025.106271
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