“最热”东奥 | ​CFD告诉您运动员正在面临的酷暑威胁

备受关注的东京奥运会在高温高湿环境下召开,不少运动员们称自己的发挥受到了严重的影响,多名运动员也因此申请调整比赛时间。


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备受关注的东京奥运会在高温高湿环境下召开,不少运动员们称自己的发挥受到了严重的影响,多名运动员也因此申请调整比赛时间。


东京 7 月下旬和 8 月初的平均气温高于1984 年以来所有奥运会主办城市的气温,东京上一次举办奥运会是在 1964 年,由于对高温的类似担忧,官员们将奥运会推迟到 10 月,“中暑”是参与者面临与天气相关的最大威胁,长时间暴露在几乎没有风的高温和潮湿环境中,可能导致身疲惫、昏厥,甚至癫痫发作。
Hexagon | MSC Software公司的CFD工程师模拟了炎热、潮湿环境对参加 10,000 米比赛的男运动员的影响,尽管比赛是在日落之后进行,但模拟结果显示运动员仍然面临着艰苦的挑战。

这是一项显示东京体育场高温和潮湿影响的全新模拟,突出展示了在有记录以来最热的奥运会上,运动员们濒临中暑、脱水和精疲力竭的危险状况。 

模拟显示,即使在 27 摄氏度(80.6 华氏度)和 70% 湿度的平均条件下,10,000 米跑者(在体育场内进行的最长的田径比赛)的核心温度也可能超过 39 摄氏度(39.07 或 102.3 华氏度)。医学研究表明:体温高于 38 摄氏度(100.4 华氏度)的温度被认为是发烧。人类需要将核心温度保持在 35 到 39 度(95 到 102.2 华氏度)之间,才能使生理功能反应发挥到最佳状态。而暴露于 32.2 摄氏度(90 华氏度)以上的“体感”温度(即个人对温度的感觉)有中暑、热痉挛和中暑的风险。 

为了展示在温度变化只有几度的情况下,对运动员身体有多么不利的影响,工程师模拟了两种不同的场景:

1. 温度高于平均水平





可忽略不计的风速、32 摄氏度的气温和 90% 的湿度。


2. 一年中的平均温度水平





可忽略不计的风速、27 摄氏度的气温和 70% 的湿度。


模拟显示,轻微的天气变化可能会产生相当大的影响:
如果气温上升至32°(平均值高 5 ,则人体核心温度将上升至 39.77 摄氏度(103.6 华氏度),皮肤温度将上升至 37 摄氏度(98.6 华氏度)。
此外,在较热的两种情况下,运动员的头部核心温度可能达到 40 多度(104 华氏度),而即使在平均条件下,头部核心温度也可能达到 39.2 摄氏度(102.6 华氏度)。
在所有器官中,大脑是最容易受到热量影响的器官之一,热量会改变微妙的神经活动模式,导致神经元死亡和癫痫发作。大腿和骨盆(均为 40.7 摄氏度或 105.3 华氏度)等身体的其他区域,如果气温超过平均水平,则显示出对核心温度特别高的影响。湿度也是影响运动员表现和健康的重要因素。
东京 7 月的平均湿度为 70%,但如果湿度升至 90%,运动员将平均出汗 810 毫升(约 1.5 品脱),而在大约 30 分钟的比赛期间,则为 630 毫升(约 1.3 品脱)。虽然汗液通过在皮肤上蒸发来帮助身体降温,但在空气已经携带大量水分的潮湿环境里,我们的身体会失去大部分蒸发的冷却效果,因此在这些条件下对运动员的影响会加剧。同时,脱水会加速全身温度的升高,进一步夸大其影响。
该模拟的重点是 10,000 米—— 这是在体育场内进行的最长的田径比赛,但研究结果洞悉了所有运动员在奥运会上所面临的艰苦条件,尤其是那些参加高耐力赛事的运动员,以及那些在炎热中午比赛的运动员,环境温度很可能达到 30 摄氏度(87.8 华氏度)以上。
气候变化已被强调为东京气温上升的关键因素,自 1900 年以来,东京平均气温上升了 2.9 摄氏度,是全球平均上升速度的三倍多。为了创建这些模拟,工程师使用了计算流体动力学 (CFD)——模拟热/流体现象。

Hexagon | MSC Software 的 Cradle CFD 软件利用非结构化网格来准确表示复杂的几何形状。该软件通常用于设计空调系统、了解驾驶员的舒适度,甚至设计更高效的滚筒式干衣机。模拟条件包括风速和湿度、运动员超过 30 分钟(比赛持续时间)产生的热量以及跑步运动产生的气流。使用 JOS-2 人体热舒适性模型(JOS 模型)开发人员分析运动员的身体热舒适度。