本文的研究主题是《The Large and Strong Vortex Around the Trunk and Behind the Swimmer is Associated with Great Performance in Underwater Undulatory Swimming》，由Takahiro Tanaka、Satoru Hashizume、Toshiyuki Kurihara和Tadao Isaka共同撰写，发表在《Journal of Human Kinetics》2022年第84卷。研究旨在探讨在水下波动游泳（UUS）期间，围绕游泳者身体产生的漩涡的脱落速度、面积和循环与游泳者水平身体速度的相关性。
### 1. 引言
水下波动游泳（UUS）是竞技游泳中起始和转身阶段使用的一种推进技术，特别是在自由泳、仰泳和蝶泳比赛中。根据国际游泳联合会（FINA）的规则，起始后和每次转身后最多可以使用15米的水下推进。研究表明，起始和转身阶段的水平身体速度是提高比赛时间的因素之一。在水面下0.5米深处进行的UUS可以减少波浪阻力，从而在UUS期间获得更大的身体水平速度。因此，国家级游泳运动员比地区级游泳运动员使用UUS的距离更长。这些结果表明，UUS表现是竞技游泳运动员的一个重要因素。
### 2. 研究方法
#### 2.1 参与者
研究共有9名男性游泳运动员参与，他们的FINA积分基于个人在长距离游泳专项中的最好成绩计算得出。
#### 2.2 运动捕捉数据收集
参与者在室内游泳池（7条泳道×25米，深度1.35米，水温30°C）中使用墙推式出发，以最大努力进行15米UUS。UUS试验间隔2分钟重复三次。使用水下运动捕捉系统（Oqus Underwater, Qualysis, Sweden）以100 Hz的采样率收集标记的三维坐标。
#### 2.3 3D游泳者模型数据收集
使用3D激光体扫描仪（Body Line Scanner C9036, Hamamatsu Corp., Japan）获取参与者的3D游泳者身体数据。参与者在收集身体模型数据时，保持站立和跪姿，双臂高举过头，穿着白色泳帽和短裤。
#### 2.4 运动学数据分析
选择每个参与者最快身体速度的试验进行模拟。使用6 Hz的截止频率对收集到的数据进行二阶巴特沃斯低通滤波处理。本研究假设UUS是在矢状面上对称的运动，该矢状面由游泳池泳道的垂直（z轴）和纵向（x轴）定义。
#### 2.5 重建UUS运动
通过一系列操作将全身关节位置转换为模拟模型坐标系中的坐标。首先，将游泳者模型的第三指尖端定位在模拟模型坐标系的原点。然后，根据收集到的数据计算第三指尖端位置的垂直位移，并在UUS期间固定纵向和横向位置。最后，使用段长度和每个段角的值，对每个关节位置进行几何重新计算。
#### 2.6 计算流体动力学（CFD）
使用OpenFOAM（Ver.6, OpenFOAM Foundation）解决纳维-斯托克斯方程，模拟了非稳态三维流动和正常k-ε湍流模型。
#### 2.7 数据处理
CFD的数据处理仅针对当前研究的第三个踢水周期进行，因为先前的研究表明，应排除模拟数据处理中的第一和第二个踢水周期的数据。
#### 2.8 统计分析
使用Shapiro-Wilk测试检查每个数据点的正态性。当确认正态分布时，使用皮尔逊相关系数评估水平质心速度和漩涡变量之间的关系。当未确认正态分布时，使用斯皮尔曼等级相关系数确定相关系数。
### 3. 结果
模拟结果表明，游泳者身体周围产生的漩涡区域的水平速度、漩涡面积和循环与水平身体速度呈正相关。特别是，躯干腹侧和游泳者背后的漩涡区域与水平身体速度的正相关性最为显著。然而，漩涡中心的水平速度与水平身体速度之间没有发现显著相关性。
### 4. 讨论
本研究是首次定量研究UUS期间全身周围漩涡的脱落速度、面积和循环与水平身体速度的相关性。主要研究结果表明，躯干腹侧和游泳者背后的漩涡面积和循环与UUS期间的水平身体速度正相关。这些结果表明，在UUS期间，在躯干和游泳者背后产生大而强的漩涡可能与出色的水平身体速度有关。此外，本研究还发现，游泳者身体周围的漩涡中心的水平速度与UUS期间的水平身体速度之间没有显著相关性。这表明，游泳者可能无法通过波动运动产生足够的漩涡脱落速度来产生巨大的身体速度。因此，游泳者可能会选择产生大而强的漩涡的策略，而不是增加漩涡脱落速度，以在UUS期间产生巨大的水平身体速度。
### 5. 结论
本研究调查了UUS期间全身周围漩涡的水平速度、面积和循环是否与水平身体速度相关。主要发现是：1）躯干腹侧和游泳者背后的漩涡面积和循环与水平身体速度正相关；2）全身周围漩涡的漩涡中心的水平速度与UUS期间的水平身体速度不相关。这些结果表明，在躯干和游泳者背后产生大而强的漩涡与出色的UUS表现有关。
### 总结
这篇论文通过计算流体动力学（CFD）对水下波动游泳（UUS）期间游泳者身体周围的漩涡结构进行了定量研究。研究结果对于理解游泳者在UUS期间的推进机制具有重要意义，并可能对游泳运动员的训练和比赛策略提供科学依据。此外，研究还提供了一种基于CFD模拟的方法来评估游泳者在UUS期间的漩涡结构，这在游泳运动生物力学研究中具有潜在应用价值。
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