Aplicação da dinâmica computacional de fluidos 3-D à natação: estudo do arrasto hidrodinâmico durante o deslize

Tese de Doutoramento em Ciências do DesportoO objetivo principal da presente dissertação foi o estudo do arrasto hidrodinâmico durante o deslize em natação, recorrendo à Dinâmica Computacional de Fluidos (DCF) através de uma análise tridimensional do corpo humano do nadador. De um modo mais particular, pretendemos analisar o efeito de diferentes variáveis, como a (i) profundidade, (ii) velocidade e (iii) orientação corporal, que comprometem a variação da força de arrasto hidrodinâmico (FD) e do coeficiente de arrasto (CD) durante a fase de deslize subaquático após as partidas e viragens. A metodologia da DCF baseia-se na simulação computacional do escoamento do fluido que consiste na utilização de uma malha de células tridimensional que simula o escoamento da água no domínio considerado. Foi utilizado o modelo turbulento k-epsilon e o código comercial Fluent® e aplicado ao escoamento em torno de um modelo de um nadador adulto em diferentes posições de deslize. Esta metodologia foi aplicada para tentar responder a algumas questões mais práticas de nadadores e treinadores, tais como a profundidade ideal de deslize após as partidas e viragens bem como, a melhor posição relativa do corpo humano a adotar nessa fase durante uma prova de natação. As principais conclusões da presente dissertação foram as seguintes: (i) a componente do arrasto de forma é a principal responsável pelo arrasto total durante o deslize após as partidas e viragens contudo, o arrasto de fricção não deve ser de modo algum negligenciado, pois representa cerca de 13% do arrasto total durante o deslize; (ii) o arrasto hidrodinâmico diminui à medida que a profundidade aumentou, havendo uma tendência para a estabilização deste valor após os 0.75 m de profundidade; (iii) verificou-se também que um aumento da velocidade levou a um aumento da força de arrasto hidrodinâmico e a uma diminuição do coeficiente de arrasto hidrodinâmico, (iv) com todo o corpo submerso, o arrasto atingiu o seu menor valor na posição ventral, ao passo que à superfície (0m), em que apenas metade do corpo se encontra submerso, as posições laterais (45° e 90°) são as que apresentam os valores mais baixos mas, uma vez que não é viável deslizar com metade do corpo emerso, a posição ventral parece ser aquela que deva ser adotada numa prova de natação, após as partidas e as viragens. Estes dados parecem sugerir que a seleção da profundidade, velocidade e posição corporal adequada para a realização do deslize após as partidas e viragens deve ser uma preocupação central dos nadadores e treinadores.The main goal of this study was to analyse the hydrodynamic drag during the gliding phase in swimming, using the Computational Fluid Dinamic method, through a three-dimensional simulation of the body of the swimmer. We particularly aimed to analyse the effect of several components such as (i) depth, (ii) velocity, and (iii) body direction, which may cause the hydrodynamic drag force and the drag coefficient to vary during the underwater gliding phase after start and turns. The CFD method is based on the computational simulation of the water flow by using a mesh of three-dimensional cells that simulates the flow of the water in a specific area. The k-epsilon turbulent method as well as the commercial code Fluent® were used and applied to the flow around an adult swimmer model in different gliding positions. The choice of such method aimed to try to answer to some practical questions by swimmers and technicians, such as the ideal gliding depth after starts and turns, the most profitable relative position of the body to adopt in that swimming phase on a swimming competition. The main conclusions of the present study were: (i) shape drag is the one that contributes most to total drag during gliding after starts and turns; however friction drag must not be neglected since it represents about 13% of the total drag force in gliding; (ii) the hydrodynamic drag is reduced as depth increases, tending to become stable after 0.75 m depth; (iii) it was shown that an increase in velocity led to a higher hydrodynamic drag force and to a reduction of the hydrodynamic drag coefficient, (iv) with the body totally immersed, drag reached its lowest value in ventral position, whereas at surface (0 m), when only half the body is immersed, lateral positions (45° e 90°) are those which present lower values but, since it isn’t feasible to glide with half the body out of the suface, ventral position seems to be the most gainful to adopt in swimming, after starts and turns. These conclusions may suggest that selecting the suitable depth, velocity and body position for gliding after starts and turns should be a main concern for both swimmers and technicians