长距离跑步中的inline aerodynamic drafting优化：配速员体型对阻力及运动表现的影响

《Journal of Biomechanics》：Inline aerodynamic drafting optimization in long-distance running: the effects of pacer body size on drag and performance

　　

本研究调查了配速员(pacer)体型对精英马拉松运动员所承受的气动阻力(aerodynamic drag)的影响。研究人员使用三维(3D)数值模拟，在21?km/h的跑步速度及跑者间1.2?m间距下分析了各种drafting配置。建模的跑者组包括一名受保护的精英马拉松运动员（1.80?m）和一名或两名不同身高（1.70?m、1.80?m和1.90?m）的配速员。总压(total pressure)等值面和压力系数(pressure coefficient, Cp)图显示，较高的配速员会产生更宽的尾流(wake)和对下游跑者更有利的压力场。具体而言，与单独跑步相比，位于两名1.90?m配速员之间的1.80?m跑者可获得最大61.6%的阻力减少，导致跑步经济性提高6.48%，全马距离上获得5?min?02?s的时间收益。投影正面面积(projected frontal area)、群组配置与压力场变化之间的关系强调了流体-结构相互作用(fluid–structure interactions)对跑步表现的关键作用。本研究表明阻力减少不仅取决于位置，还取决于跑者形态(runner morphology)，并为优化精英群体跑步中的drafting策略开辟了有前景的途径。

论文解读文章

研究背景与问题提出

在长距离跑步赛事尤其是马拉松中，配速员（pacers）已成为实现顶尖成绩的关键战略组成部分。配速员不仅能维持稳定配速，还能显著降低后方运动员所承受的空气动力阻力（aerodynamic drag）。在20至22?km/h的跑步速度下，气动阻力可占对抗向前运动的外机械功率的6%至8%，这在耗时约两小时的比赛中是不可忽视的因素。尽管既往基于经验与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的研究已证实跟跑（drafting）能改善跑步经济性（Running Economy, RE）并降低能耗，且配速员的身体尺寸（决定其正面面积 _projected frontal area, A_f）在提供的空气动力学遮蔽效果中起关键作用（较高的配速员往往产生更宽的尾流区域及有利的负压区），但目前尚无科学研究专门探讨配速员体型对长跑（特别是马拉松）中气动阻力及运动表现的具体影响。鉴于精英马拉松运动员在身高形态上存在显著差异（如1.65?m至1.91?m不等），探究配速员与被保护跑者间特定的形态组合是否能策略性地带来异常的空气动力学优势，成为填补研究空白的重要方向。该研究旨在利用3D数值模拟评估配速员形态如何影响气流模式、压力场及精英马拉松运动员所受阻力，为最高水平竞技中的形态与位置优化提供新见解。

主要关键技术方法

研究人员采用稳态雷诺平均纳维-斯托克斯（Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS）模拟，使用ANSYS Fluent 2025R1进行求解，湍流模型选用剪切应力输运（Shear Stress Transport, SST） k-ω 公式。模拟设定恒定速度21.00?km/h（5.83?m/s），跑者间距1.2?m。参考跑者固定为1.80?m（正面面积约0.49?m²），配速员身高设定为1.70?m、1.80?m和1.90?m（对应 A_f分别为0.42?m²、0.49?m²、0.54?m²）。计算域上游延伸7?m、下游24?m以捕捉完整尾流发展，施加移动地面边界条件，采用非结构化网格（约1900万网格单元，近壁面布置15层棱柱膨胀层以维持无量纲壁面距离 y⁺≈1）。阻力收敛判定为残差低于1×10^-4。跑步经济性基于Batliner等人的曲线拟合关系估算氧摄取量（ V˙O₂），进而将阻力减少转化为生理效益与全马时间收益。

研究结果

3. Results and discussion

定量分析与总压等值面揭示，当1.80?m精英跑者位于两名1.90?m配速员之间时，可实现最大61.6%的阻力减少（阻力降至3.11?N）。该配置下跑步经济性改善6.48%，等效速度提升至21.91?km/h，预估全马（42.195?km）时间收益为5?min?02?s（参照基准成绩2:00:33）。双人组中，1.90?m配速员后的受保护者阻力减少57.3%（3.46?N），优于1.70?m配速员后的44.7%（4.48?N）。三人组的集体阻力（collective drag，即群组内所有跑者平均阻力）介于4.76?N至5.60?N，平均阻力减少达54.4%。领头配速员自身亦获得5.5%至8.3%的阻力减少，呈现类似自行车群的互利效应。若受保护跑者为1.70?m，置于两名1.90?m配速员间阻力减少可达71.8%。

3.1. Collaborative strategy

集体阻力分析表明，双人组平均阻力减少52.1%，三人组为54.4%。集体阻力最小化出现在1.80?m跑者介于两名1.70?m配速员时，而最大综合阻力出现在1.80?m跑者介于两名1.90?m配速员时。跑步经济性是衡量“跑步空气动力学成本”的更适切指标，相同空气阻力对较轻矮跑者（如Kenenisa Bekele, 56?kg）的生理需求显著高于大体型运动员。

3.2. Analysis of drag coefficient according to position in the group

阻力系数（ C_d）分析确立明确的空气动力学层级：领头跑者均值最高（0.73–0.77），中间受保护者最低（0.28–0.51），尾部配速员居中（0.32–0.63）。受保护者最小 C_d为0.28（较领头者均值0.76减少约63%），但该最优条件并不对应于领头者最高 C_d（0.77），表明跟跑效益源于特定群组几何的复杂集体平衡而非简单的领头-跟随动态。受保护者 C_d变幅（Δ=0.23）显著，突显跟跑有效性高度依赖身高组合与整体编队。

3.3. Running economy (RE) and performance gains resulting from drafting practice

基于CFD阻力减少量分解氧消耗为运动成分与气动成分，依据Kipp等人关系将氧需求减少转换为等效提速（约跑步经济性改善的三分之二）。双人组预估全马节省3?min?43?s至4?min?42?s，三人组节省4?min?05?s至5?min?02?s。1.90?m领头配速员平均带来约6.29%的RE减少，优于1.80?m（5.59%）与1.70?m（5.15%）。在三人群（1.70?m?+?1.80?m?+?1.90?m）中，将1.90?m置于前而非后，RE节省从5.56%增至6.38%，额外增益约36?s。压力系数（ C_p）分布图显示最优三人组（1.90?m?+?1.80?m?+?1.90?m）提供近乎完全的空气动力学保护，躯干动压衰减且后部分离区缩小。

3.4. Limitations of the study and practical considerations for implementing optimal race configurations

方法学受限于简化几何模型（排除衣物）及静态姿势（未反映动态跑步肢体运动），虽自行车中肢体运动对阻力影响甚微，但在人类跑步中未验证。无风假设与完美1.2?m间距及横向对齐属理想化条件，实战中横向偏差会实质性改变尾流结构与遮蔽效果。最优配置（1.90?m–1.80?m–1.90?m）面临具备维持精英配速能力的高大运动员招募挑战。1.2?m间距是气动收益与战术可行性的折衷。即便领头者亦有5.5%–8.3%阻力减少，任一成员疲劳崩盘将危及全局策略，双人组或为战术可行妥协。

3.5. Tactical integration of optimal configurations in real racing conditions

CFD确立特定配置的气动收益，但实战应用存物流挑战：风、比赛加速、补给等变量使维持精确1.2?m间距复杂化。群组凝聚还需兼顾矮与高运动员的不同步幅。领头配速员须维持利于负分割（negative-split）的节奏，尾部配速员须保持气动缓冲。任何成员疲劳可破坏编队抵消跟跑收益，轮换配速团队可缓解但常致不符世界纪录认证。需将数据驱动模拟整合入赛计划以平衡形态选择与赛道地形。

讨论总结与研究结论翻译

讨论部分指出形态多样性（配速员体型）是优化精英马拉松运动员在线跟跑中表现的决定性气动参数。数值模拟表明高大配速员（至1.90?m）产生更均匀压力场与延伸尾流，减少被遮蔽跑者周围压力梯度并限制流动分离区，使阻力从单独跑8.1?N降至最优3.11?N，伴随实质代谢节能与提速。 C_d分析揭示强位置效应（遮蔽位低至0.28，领头者显著更高），阻力变异受形态与集体流场结构共同塑造，尽管本模型未计入可能影响交互的动态肢体运动。策略优化下跟跑最多减阻61.6%，跑步经济性改善6.48%，全马预估增益约5?min?02?s。三人组尤其含高大前后配速员为中位跑者提供最佳保护，但最大气动效率不仅赖人数，亦赖尺寸、位置与间距，揭示跑步尾流动力学复杂性。跟跑属集体策略（计划性或突发性），助保存代谢储备、降认知负荷、改善末段加速能力，可比拟自行车等耐力项目。研究强调运动员与教练须将形态构成与群体动力视为真正表现增强因子，跑步空气动力学非边缘现象，已成突破顶尖门槛的核心战略因素。

结论部分翻译：本研究结果确认配速员形态（尤体型）是构成优化精英马拉松运动员在线跟跑情境下表现的决定性气动参数。数值模拟显示高大配速员（高达1.90?m）产生更均匀压力场与延伸尾流，减少被遮蔽跑者周围压力梯度并限制流动分离区。这转化为显著的气动阻力减少，从单独跑8.1?N降至最优跟跑配置的3.11?N，伴随实质代谢能量节省与更快跑步速度。阻力系数分析揭示群组内强位置效应，遮蔽位置值低至0.28，领头跑者显著更高，突显组内气动交互的主导作用。重要的是，各配置间阻力系数变异性表明阻力不仅依赖形态，亦强烈受集体流结构塑造，尽管本模型未计入可能进一步影响这些交互的动态肢体运动。策略优化时，跟跑可减少高达61.6%气动阻力，导致跑步经济性6.48%改善及预估约5?min?02?s全马时间增益。三人组（尤整合高大领头与尾部配速员）为中位跑者提供最佳保护。然而最大气动效率不仅赖运动员数量，亦赖其尺寸、位置与间距，揭示跑步中尾流动力学复杂性。除物理收益外，跟跑属集体策略（配速员计划或赛中涌现），允许保存代谢储备、降低认知负荷及改善赛末加速能力，这些效应可比拟自行车等其他耐力学科。最终，本研究强调运动员与其教练考虑形态构成与群体动力作为真正表现增强因子的重要性。跑步空气动力学不再被视为边缘现象：它成为突破最高水平表现阈值的必要战略因素。

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