Contribution à l’étude des écoulements tourbillonnaires en biomécanique du geste sportif

par Hanane Zaïdi

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides et biomécanique

Sous la direction de Guillaume Polidori et de Redha Taïar.

Soutenue en 2008

à Reims .

mots clés

• Température cutanée, Nageur
• Natation
• Simulation par ordinateur
• Tourbillons (mécanique des fluides)
• Thermographie
• Turbulence

Résumé

Ce travail concerne l’étude des écoulements hydrodynamiques turbulents en natation humaine pendant les phases submergées de coulée et de retour après un virage. Son objectif est de tester différentes positions de nage afin d’améliorer la performance hydrodynamique des nageurs de haut niveau. Plus précisément, l’effet de la position de la tête sur la résistance à l’avancement rencontrée par les nageurs a été analysé de manière fine. Des simulations numériques par CFD ont été effectuées dans les cas 2D et 3D. Trois positions de la tête du nageur ont été étudiées dans le cas 2D : relevée, alignée et baissée par rapport à l’axe supposé rectiligne du corps du nageur. Les résultats montrent qu’une position "alignée" offre moins de résistance par comparaison aux positions "relevée" et "baissée". L’effet du choix du modèle de turbulence a aussi été étudié dans les cas 2D et 3D. La comparaison des résultats numériques obtenus avec ceux issus d’expériences réalisées à l’INSEP avec des nageurs de l’équipe de France de natation montre que le modèle de turbulence k-ω standard est le modèle étudié le mieux adapté pour retrouver les structures tourbillonnaires se développant autour du corps du nageur et pour prédire les forces de résistances opposées par le fluide. Ce travail est complété par une étude thermique. Une partie expérimentale, visant à mettre en parallèle la dépense énergétique des nageurs et leur température cutanée après effort en utilisant la thermographie infrarouge, a permis de montrer des variations significatives de la distribution de la température cutanée selon le type de nage. Enfin, une étude numérique de l’influence du gradient thermique entre l’eau du bassin et de la température cutanée du nageur montre qu’une diminution de l’ordre de 1,2% sur la traînée totale est possible en augmentant la température de l’eau de 20°C à 30°C

Titre traduit

Contribution to study of vortical flows in biomechanics of the sporting gesture

Résumé

This work focusses on the study of the turbulent hydrodynamic flows in human swimming during the submerged phases: after the start dive and after a turn. Its objective is to test various swimming positions in order to improve the hydrodynamic performance of high-level swimmers. More precisely, the study of the effect of the head position on the resisting drag force met by the swimmers was analyzed in a fine way. 2D and 3D CFD simulations were carried out. Three positions of the swimmer’s head were studied in the 2D case: raised, aligned and lowered with respect to the presumed rectilinear axis of the swimmer’s body. The results show that a position of the head "aligned" offers less resistance by comparison to the "raised" and "lowered" positions. The effect of the choice of the turbulence model was also studied in the 2D and 3D cases. The comparison of the numerical results obtained with results from experiments carried out at INSEP with high-level swimmers of the French swimming team shows that the standard k-ω turbulence model is the most appropriate tested model to find the vortical structures which develop around the body of the swimmer and to predict the drag forces opposed by the fluid. This work is supplemented by a thermal study. An experimental part, aiming at drawing a parallel between the energy expenditure of the swimmers and their cutaneous temperature after effort by using infrared thermography, made it possible to show significant variations of the distribution of the cutaneous temperature according to the swimming style. Finally, a numerical study of the influence of the thermal gradient between the water of the pool and the cutaneous temperature of the swimmer shows that a reduction of about 1. 2 % on the total drag force is possible by increasing the temperature of the water from 20°C to 30°C