香港科技大学张欣教授研究团队和香港体育学院合作，开展了系统的单车空气动力学研究，帮助李慧诗提高训练效率和比赛成绩。
港科大风洞及单车空气动力试验台模拟图。
在东京奥运会上，中国香港单车运动员李慧诗在场地自行车女子争先赛中夺得一枚宝贵的铜牌，这一佳绩离不开中国体育科技发展的强大助力。香港科技大学张欣教授研究团队和香港体育学院合作，开展了系统的单车空气动力学研究，帮助李慧诗提高训练效率和比赛成绩，使她成为首位夺得两届奥运会奖牌的中国香港运动员。
科技提升港队奥运表现
在香港科技大学工学院，有一个空气动力学和声学实验中心，中心里面有不同种类的运动项目：赛车、自行车、风帆冲浪、游泳、冲浪等，看起来就像是一个有趣好玩的地方。但这些都不是为了娱乐，而是为提高运动员比赛成绩做研究。
这个实验室拥有本地最大的静音风洞，风洞可以模拟测试运动员在行进过程中空气阻力对车辆的影响，“在奥运单车比赛中，竞争真的十分激烈，第一名和第二名之间也许只有几毫秒之差，由于他们骑行的速度非常快，大部分的阻力都是来自空气的阻力，我们希望能够通过降低空气阻力的方法来提高运动员在比赛中的成绩。”香港科技大学张欣教授告诉南都记者，降低空气在运动员身上的阻力，这取决于运动员的姿势，他们穿着的衣服和戴着的头盔，以及他们骑行的单车。研究方法主要是通过风洞实验，测试设备和运动员空气阻力的微小差异。工作人员会对运动员进行三维扫描，再把数值模型使用计算流体动力学进行模拟，结合风洞实验，得到更加详尽的数据。“风洞实验室里的风速可以达到每小时70公里，但因为做了特殊的吸音处理，实验室的环境非常适合人体和运动测试，运动员在里面会感觉特别安静。”
张欣教授回香港前，已经是英国知名大学的讲座教授、空客(Airbus)飞机噪音技术中心主任。2015年香港科技大学向他伸出橄榄枝时，他毫不犹疑放弃在英国的一切，空降港科大发展事业。2019年，张欣教授领导的空气动力学、声学和噪声控制技术中心 (aantc.ust.hk)开始与香港体育学院苏志雄博士领导的体育工程团队紧密合作，展开A.Kwok运动空气动力学科研计划。“我在英国的时候就喜欢骑单车，现在我们的团队有三十多个人，很多都是单车爱好者，有个小伙子还研发了一个APP，通过探针测量骑车时的速度、风的阻力等，通过手机软件查看。科技不但可以提高运动成绩，还能增加运动的乐趣。”
张欣教授表示，很高兴可以通过科技为体育作出贡献，他和他的团队正继续努力，将更多研究成果应用在运动员的比赛中，并将科技拓展到铁人三项、冲浪、拉力赛等运动项目中。
作为运动员，李慧诗也表示，十分高兴能够参与此次科研计划，让她能在赛事上发挥最佳水平。香港体院院长李翠莎博士表示，“现今体坛竞争激烈，运动科学对提升运动员表现有着不可或缺的重要性。今次的运动空气动力科研计划在过去两年为香港单车队进行各项测试，进一步加强精英训练的成果，协助运动员在国际赛事中提升竞争力。风洞技术除了应用在单车外，我也乐见团队近日开展与香港滑浪风帆队的合作，希望尽快为我们带来更多好消息。”
想让更多人感受到科技的能量和乐趣
“南沙风景优美，空气清新，很适合骑单车”，张欣教授在南沙也遇到了大量的单车爱好者，“特别是星期六，人数之多，规模之大，装备之精良，都让我十分震惊，他们的一辆单车可能要五万甚至十万，比有的汽车还贵。”张欣教授很想把团队的科研成果普及化，不仅仅是精英运动员，普通爱好者也可以感受到科技的能量和乐趣。
“我们正研发一个小型的体育风洞实验台，2米高1.5米宽的那种，在欧美做一次风洞测试很贵很贵，但使用我们研发的小型风洞实验台，几百块就可以做一次，你可以带上你的单车，来这里做测试，做完以后，工作人员会为你量身定做一套训练方案，对你的单车轮子、车把、服装、头盔进行科学调整，几个月后，你会发现，在速度等方面都会有显著提升。”
“广州超算”力量 助力港澳体育科技
张欣教授在英国时还为一级方程式赛车的选手们做过设计，通过科技提高他们赛车的成绩，他把来自方程式赛车和航空航天的工程技术，运用到提高单车运动员的成绩上，“飞机和赛车状态在很多情况下都是固定的，但人的肌肉组织和身体状态是变化的，计算的过程要复杂很多。在计算机我们可以用到1亿个网格点，要得出准确的数据，必须使用超级计算机。有的国家不具备这样的技术力量，就做不了这样的研究。”
张欣教授的研究团队通过“天河二号”超级计算机，利用先进的计算流体力学(CFD)方法，对骑行过程中的空气动力学特性进行了研究。计算中通过复原运动员的真实模型，基于风速大小、骑车姿态、单车部件、车轮转动等因素对整体风阻大小进行评估和优化，并与风洞实验测量相互验证和补充，有效促进了运动员姿态优化、器材设计和选择过程。模拟计算还提供了不同身体不同部分流场分布，协助服装设计和选料，并与风洞实验相结合。
由于模拟仿真中采用了大量结构复杂的计算网格，系统化地考察了各种不同工况的影响，所以大规模计算对集群并行效率、机器运行稳定性、数据储存、传输速度等都有极高要求，而这些正是大国科技重器、湾区创新引擎——“天河二号”的优势所在。
记者了解到，早在2016年，广州超算就与香港科技大学霍英东研究院共建了南沙分中心。作为超算对接港澳的服务窗口，以南沙分中心为连接点，广州超算与香港之间建设了高速光纤网络专线，这是全国首个具备将超级算力直通香港的网络专线，填补了香港无世界领先水平超算的空白。通过南沙分中心，香港用户即可方便快捷地使用“天河二号”超算资源。
近年来，国家超算广州中心通过建设分中心加强超算服务覆盖，以超算推动“9+2”城市群整体创新能力提升，全面支撑粤港澳国际科技创新建设与发展。目前已有数百个港澳科研团队通过霍英东研究院使用“天河二号”超算资源，在材料化学、生物医药、工程机械仿真计算、气候模拟与海洋环境、金融计算等诸多领域开展科学研究。广州超算已成为在港澳地区用户规模最大的国家级超算中心，持续为港澳地区的技术创新提供支撑与动力。
采写：南都记者 许琨 港科大供图
