Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10348/428
Title: The Study Of Swimming Propulsion Using Computational Fluid Dynamics
Authors: Marinho, Daniel Almeida
Advisor: Silva, António José
Issue Date: 2009
Abstract: O objectivo principal da presente dissertação foi estudar o mecanismo propulsivo em natação, utilizando a Dinâmica Computacional de Fluidos (DCF) através de uma análise tridimensional da mão e antebraço do nadador. A metodologia de DCF baseia-se na simulação computacional do escoamento do fluido em torno de estruturas físicas. Esta metodologia pode ser considerada como uma forma interessante para ser utilizada na investigação em natação, tornando possível a simulação do escoamento da água em torno do nadador e, desta forma, analisar as forças propulsivas produzidas pelo nadador. A primeira parte desta dissertação foi dedicada à aplicação da DCF utilizando um modelo tridimensional do corpo do nadador. Após ter sido demonstrada a possibilidade de se analisar as forças propulsivas usando um modelo tridimensional de um segmento humano, foi possível melhorar as análises numéricas anteriormente efectuadas, incluindo um modelo mais real da mão e antebraço do nadador. Para além disso, a metodologia de DCF foi aplicada para tentar responder a algumas questões mais práticas de nadadores e treinadores, tais como a posição relativa dos dedos durante o trajecto motor em natação. As conclusões da presente dissertação foram as seguintes: (i) o coeficiente de arrasto foi o principal responsável pela produção de força pela mão e antebraço, apresentando o valor mais elevado com um ângulo de ataque de 90º; (ii) foi observada uma importante contribuição da força de sustentação para a produção de força pela mão e antebraço, com ângulos de ataque de 30º, 45º e 60º, especialmente quando o dedo mínimo actuava como bordo de ataque; (iii) o modelo da mão com o polegar em adução apresentou valores superiores no coeficiente de arrasto do que os modelos com o polegar em abdução. O modelo com o polegar totalmente em abdução permitiu aumentar o coeficiente de sustentação da mão, com ângulos de ataque de 0º e 45º; (iv) o modelo da mão com o polegar totalmente em abdução apresentou valores superiores no coeficiente de força resultante do que as posições com o polegar parcialmente em abdução e em adução, com ângulos de ataque de 0º e 45º. Com um ângulo de ataque de 90º, o modelo com o polegar em adução apresentou o valor do coeficiente de força resultante mais elevado; (v) o modelo da mão com uma pequena distância entre os dedos apresentou valores do coeficiente de arrasto mais elevados do que os modelos com os dedos juntos e com uma maior distância entre os dedos. Os valores do coeficiente de sustentação apresentaram pequenas diferenças entre os modelos com diferente espaçamento entre os dedos e; (vi) os resultados apresentados sugerem que, nas posições da mão nas quais a força de sustentação pode desempenhar um importante papel, a abdução do polegar pode ser benéfica, enquanto que, com ângulos de ataque mais elevados, nos quais a força de arrasto é dominante, a adução do polegar parece ser preferível. Adicionalmente, foi também sugerido que um pequeno afastamento dos dedos pode permitir à mão criar mais força durante o nado.
The main purpose of the present thesis was to study the mechanism of swimming propulsion using Computational Fluid Dynamics (CFD) through a three-dimensional analysis of the swimmer’s hand and forearm. CFD methodology is a branch of fluid mechanics that solves and analyses problems involving a fluid flow by means of computer-based simulations. This methodology can be considered as an interesting approach to use in swimming research, since it allows simulating the water flow around the human body and thus, to analyse the propulsive forces produced by the swimmer. The first part of this thesis was to be able to apply CFD using a three-dimensional model of the swimmer body. After the propulsive force measurements using a true three-dimensional model of a human segment have been demonstrated, it was possible to improve previous CFD analysis, including a more realistic model of the swimmer hand and forearm. Additionally, the CFD methodology was applied to address some practical concerns of swimmers and coaches, such as the finger’s relative position during the underwater path of the stroke cycle. The main conclusions of the present thesis were: (i) the drag coefficient was the main responsible for the hand and forearm propulsion, with a maximum value of force corresponding to an angle of attack of 90º; (ii) an important contribution of the lift force to the overall force generation by the hand/forearm in swimming phases was observed at angles of attack of 30º, 45º and 60º, especially when the little finger leads the motion; (iii) the hand model with the thumb adducted presented higher values of drag coefficient compared with thumb abducted models. The model with the thumb fully abducted allowed increasing the lift coefficient of the hand at angles of attack of 0º and 45º; (iv) the resultant force coefficient showed that the hand model with the thumb fully abducted presented higher values than the positions with the thumb partially abducted and adducted at angles of attack of 0º and 45º. At an angle of attack of 90º, the model with the thumb adducted presented the highest value of resultant force coefficient; (v) the hand model with little distance between fingers presented higher values of drag coefficient than the models with fingers closed and fingers with large distance spread. The values for the lift coefficient presented little differences between the models with different finger’s spreading and; (vi) the results suggested that for hand positions in which the lift force can play an important role, the abduction of the thumb may be better, whereas at higher angles of attack, in which the drag force is dominant, the adduction of the thumb may be preferable. Furthermore, it is suggested that fingers slightly spread could allow the hand to create more force during swimming.
Description: Tese de Doutoramento em Sport Sciences
URI: http://hdl.handle.net/10348/428
Document Type: Doctoral Thesis
Appears in Collections:OLD - Dissertações de Mestrado

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