CFD-Simulation Wie Hitze und Luftfeuchtigkeit Athleten stressen können

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Die Olympischen Spiele in Tokio finden nicht nur wegen der Corona-Pandemie unter erschwerten Bedingungen statt. Auch das feucht-heiße Wetter muss von den Sportlern verkraftet werden. Eine Simulation der Hexagon Manufacturing Intelligence Division zeigt die Auswirkungen auf die Körpertemperatur.

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Die Hauttemperatur der Läufer bei überdurchschnittlich heiß-feuchtem Wetter
Die Hauttemperatur der Läufer bei überdurchschnittlich heiß-feuchtem Wetter
(Bild: Hexagon)

Morgen Abend findet im Stadion von Tokio der 10.000-Meter-Lauf statt. Laut Wettervorhersage sollen um 20:00 Uhr Ortszeit die Temperatur 27 Grad Celsius und die relative Luftfeuchtigkeit 83 Prozent betragen. Das entspricht ungefähr den durchschnittlichen Wetterbedingungen im Juli von 27 Grad Celsius und 70 Prozent Luftfeuchtigkeit.

Ingenieure von Hexagon's Manufacturing Intelligence Division haben die Auswirkungen dieser feucht-heißen Bedingungen auf einen männlichen Athleten beim 10.000-Meter-Lauf im Stadion simuliert. Das Ergebnis: Selbst bei diesen durchschnittlichen Wetterbedingungen könnte die Körperkerntemperatur der Läufer auf über 39 Grad Celsius ansteigen. Es besteht die Gefahr von Hitzschlag, Hitzekrämpfen und Hitzeerschöpfung. Der Grund: Eine Temperatur oberhalb von 38 Grad Celsius gilt als Fieber und Forschungen haben ergeben, dass der menschliche Körper für eine optimale Funktion der biochemischen Reaktionen auf einer Kerntemperatur zwischen 35 und 39°C gehalten werden muss.

Zwei Szenarien zeigen Auswirkungen geringfügiger Wetteränderungen

Um zu illustrieren, wie sich die Hitzeauswirkungen schon bei einer Temperaturänderung von wenigen Grad verhalten, wurden zwei verschiedene Szenarien simuliert:

  • Überdurchschnittlich heiß: zu vernachlässigende Windgeschwindigkeit, 32 Grad Celsius Lufttemperatur und 90 Prozent Luftfeuchtigkeit
  • Für die Jahreszeit durchschnittliche Bedingungen: zu vernachlässigende Windgeschwindigkeit, 27 Grad Celsius Lufttemperatur und 70 Prozent Luftfeuchtigkeit

Steigt die Lufttemperatur um gerade einmal fünf Grad über den Durchschnitt, erhöht sich laut Hexagon die simulierte Körperkerntemperatur auf 39,77°C und die Hauttemperatur auf 37°C. Darüber hinaus könne die Kopfkerntemperatur der Athleten im heißeren Szenario auf über 40°C ansteigen, während selbst unter durchschnittlichen Bedingungen noch 39,2°C möglich seien. Von allen Organen reagiert das Gehirn am stärksten auf Hitze, wodurch sich die empfindlichen neuronalen Aktivitätsmuster verändern können, was letztlich zum Absterben von Nervenzellen und zu Krampfanfällen führt, heißt es. Die Oberschenkel und das Becken (jeweils 40,7°C) sind weitere Körperzonen, die für besonders hohe Kerntemperaturen anfällig sind, wenn die Lufttemperatur überdurchschnittlich ansteigt. So die Simulation.

Steigt die relative Luftfeuchtigkeit auf 90 Prozent, schwitzen die Sportler nach Angaben von Hexagon über die Dauer des rund 30-minütigen Rennens durchschnittlich 810 ml anstatt üblicherweise 630 ml. Während Schwitzen den Körper durch Verdunstung auf der Haut abkühlt, geht dieser Effekt der Verdunstungskühlung an Tagen mit hoher Luftfeuchtigkeit größtenteils verloren, da die Luft fast gesättigt ist. Somit ist die Belastung auf die Sportler unter diesen Bedingungen noch stärker. Zugleich beschleunigt die Dehydrierung den Anstieg der gesamten Körpertemperatur, was die Auswirkungen weiter verschärft.

Kombination von Thermo-Regulationsmodell und CFD-Simulation

Zur Erstellung dieser Simulationen nutzten die Ingenieure die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD). Die Hexagon-Software Cradle CFD verwendet dabei unstrukturierte Netze, um komplizierte Geometrien darzustellen. Wäschetrockner. Die simulierten Bedingungen umfassen die Windgeschwindigkeit und Luftfeuchtigkeit, die von den Athleten in 30 Minuten erzeugte Wärme und die durch die Laufbewegung bewirkte Luftströmung. Der Körperzustand der Athleten wird unter Verwendung des Thermo-Regulationsmodells JOS-2 (JOS-Modell) analysiert, das von einer Forschungsgruppe der japanischen Waseda-Universität entwickelt wurde. Das JOS-Modell ist in der Lage, Körpergröße, Geschlecht und Alter von Menschen in die Berechnungen einzubeziehen. Durch die Kombination des Thermo-Regulationsmodells mit CFD lassen sich die Auswirkungen von Umgebungsänderungen auf die Kern- und Hauttemperaturen im gesamten Köper analysieren.

Zur kompletten Simulation von Hexagon

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