游泳运动员海豚式击水的PIV测量

       由于生物进化，人类对水具有较低的适应性，所以水中的运动不是人类的强项。然而，为了最大限度地提高游泳速度，人类高性能游泳运动员试图模仿鱼类运动的成功策略，例如起步和转弯后的波动水下游泳。出于这个原因，人类游泳者必须通过复杂的运动技术来弥补他们的解剖学和形态上的缺点。由于缺乏系统研究，密集的训练是必要的，训练方法主要是试错。

       到目前为止，只有少数几种观察和量化流动的方法适用于人类游泳。它们的范围从自然观察或注入的气泡到附着在游泳者身体上的簇绒的方向。最近，粒子图像测速仪（PIV） - 已经发展成为过去几年鱼类运动中观察流动的标准方法之一 – 该方法首先应用于爬行游泳者的手划动和人体的波动（海豚踢）。结果，在向下划动之后在脚趾尖端区域中发现3D涡旋环。此外，游泳运动员可能会采用能量恢复策略。因此，游泳者的踏板状身体部分与尾部产生的漩涡相互作用以重复使用涡旋的一部分旋转动能来增加游动速度并因此增强向前的推力（涡旋重新捕获）。

       因此，人类游泳者可被视为技术模型的自然范例，其必须通过场动力学来补偿其解剖学限制。运动游泳中相关运动的优化可以指示运动模式是否以及如何用于补偿其结构上的劣势（肢体和身体形状）。分段连杆系统用于机器人中，因此，特别是在两栖系统中，体形适应游泳要求是有限的。因此，在这些结果中可以得出关于水下机器人的波动推进系统具有局限性的结论，并且可以用于在给定约束下优化这种系统。特别是对于较大的系统，模仿鱼类运动的机械存在结构或技术限制。

实验布置

使用时间分辨PIV系统进行实验：

照明：         DualPower 20-1000 Nd:YLF 激光, 527nm, 20mJ/脉冲 @ 1kHz

光束传输：   短导光臂和片状光学器件

相机：         SpeedSense 1210@1200×800分辨率@ 250 fps

镜头系统：   Sigma Foto 24mm F1.8 EX DG Makro

同步器：      Dantec Dynamics PIV同步器

眼睛防护：   Laservision Protector L-08K,filter type 13

粒子：         聚酰胺颗粒，100μm

软件：         带有图像处理库的DynamicStudio v3.40

在实验期间：游泳者穿着防护性能套装

动态掩模

       实体和曲面通常出现在PIV图像中。除非被屏蔽，否则这些影响互相关函数并在PIV计算中引入不确定性。使用静态掩模来移除静止物体是非常常见和直接的，因为这些可以手动定义。然而，掩盖移动物体或表面并不是很容易做到的，动态掩蔽的文献非常有限。在实践中，可以使用多个图像处理函数使用原始图像集合来创建移动对象的动态掩模。随后，这些可以应用于掩盖原始图像和/或PIV结果。在这个应用程序中，我们使用动态Mask技术来掩盖游泳者的脚。

速度

       使用自适应PIV处理计算来自粒子位移的速度信息。我们使用50％重叠率，16像素宽的最终查问区域。记录频率高达250 Hz，这是解决脚趾尖端涡旋运动所必需的。

在实验之前：带有防护眼镜的游泳者用胶带密封

出版物：

Hochstein, S. & Blickhan, R. (2011) Vortex re-capturing and kinematics in human underwater undulatory swimming. Human Movement Science, 30, 998-1007.
Hochstein, S., Pacholak, S., Brücker, C. & Blickhan, R. (2012) Experimental and numerical investigation of the unsteady flow around a human underwater undulating swimmer. In: C. Tropea & H. Bleckmann (Eds.) Nature-Inspired Fluid Mechanics, Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, 119, 293-308.