冬奧會跳臺滑雪項(xiàng)目賽道核心區(qū)氣流防控裝置模擬設(shè)計(jì)方法*

北京工業(yè)大學(xué) 李紫微清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 張銘琦中共北京市委辦公廳 陳洪鐘北京智融天象科技有限公司 程鵬飛清華大學(xué) 林波榮 曹 彬

0 引言

2022年冬奧會將在北京和張家口舉辦，將大力推進(jìn)我國冰雪運(yùn)動的全民普及和運(yùn)動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。長期以來，我國冰雪產(chǎn)業(yè)薄弱，與西方國家存在差距，大力發(fā)展冬奧科技勢在必行。本研究依托于國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“科技冬奧”專項(xiàng)，旨在打破發(fā)達(dá)國家在冰雪運(yùn)動場館建設(shè)和運(yùn)營技術(shù)方面的技術(shù)壟斷，提升我國冰雪運(yùn)動項(xiàng)目的國際話語權(quán)。

跳臺滑雪項(xiàng)目是冰雪運(yùn)動的重要項(xiàng)目，場地設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展關(guān)系到跳臺滑雪項(xiàng)目的普及。跳臺滑雪項(xiàng)目場地多在寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)，容易受到冬季冷風(fēng)沖擊，比賽和觀賽時氣候惡劣。跳臺核心區(qū)適宜且穩(wěn)定的風(fēng)場環(huán)境對于運(yùn)動員安全至關(guān)重要。長期以來，由于場外氣候風(fēng)環(huán)境不可控、場地核心區(qū)氣流控制介入難等問題，缺乏跳臺滑雪賽道風(fēng)環(huán)境優(yōu)化的方法。這無法滿足跳臺滑雪場地建設(shè)的技術(shù)需求，也不利于冰雪運(yùn)動項(xiàng)目的公眾參與。因此，突破跳臺滑雪場地風(fēng)環(huán)境優(yōu)化控制難的問題，成為當(dāng)下緊迫需求。

跳臺滑雪運(yùn)動過程分為助滑、起跳、飛行、著陸4個階段[1]。在飛行階段，運(yùn)動員將脫離滑道，此時垂直于運(yùn)動員運(yùn)動方向的氣流將會對運(yùn)動過程產(chǎn)生不利影響，甚至?xí)嬖趪?yán)重的安全隱患。因此本研究針對跳臺滑雪賽道核心區(qū)側(cè)向氣流防控方法開展研究，以保障運(yùn)動員的比賽安全。

現(xiàn)有的跳臺滑雪相關(guān)研究所采用的技術(shù)手段主要為CFD技術(shù)和風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)，但是研究內(nèi)容主要聚焦于運(yùn)動姿勢和運(yùn)動器材的優(yōu)化。N?rstrud等人采用計(jì)算流體力學(xué)模擬了不同的人體、滑雪板位置和飛行角度下運(yùn)動員的表現(xiàn)，并基于數(shù)值分析結(jié)果提出了一種新的跳臺滑雪板設(shè)計(jì)方案[2]；Müller采用基于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算流體力學(xué)模型，研究了不同變量和初始條件對飛行距離的影響[3]；Gardan等人基于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)開發(fā)了一種數(shù)值方法，研究了跳臺滑雪運(yùn)動員的姿勢和速度對大迎角范圍內(nèi)的空氣動力的影響[4]；Murakami等人根據(jù)跳臺滑雪視頻圖像分析了飛行姿勢對飛行距離的影響[5]；Jung等人采用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了迎角和人體/滑雪板夾角對空氣動力的影響[6]；Meile等人通過實(shí)驗(yàn)和CFD模擬2種方式研究了跳臺滑雪運(yùn)動員的姿勢對空氣動力的影響[7]；Schm?lzer等人通過從奧運(yùn)會比賽獲取的數(shù)據(jù)分析了跳臺滑雪運(yùn)動的不同飛行姿勢[8]；Virmavirta等人分析了跳臺滑雪運(yùn)動飛行早期階段的特征[9]；胡齊等人分析了滑雪板夾角對跳臺滑雪飛行階段氣動特性的影響[10]；劉貴寶等人研究了多點(diǎn)攝像解析方法在跳臺滑雪運(yùn)動中的應(yīng)用[11]；劉樹明采用空氣動力學(xué)方法分析了跳臺滑雪運(yùn)動的傳統(tǒng)姿勢、V形姿勢及平V形姿勢，以優(yōu)化飛行姿勢和技術(shù)[12]。

然而，針對跳臺滑雪運(yùn)動的氣候防護(hù)研究基本空白。氣候防護(hù)研究在多個領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用，比如：鐵路、公路沿線防風(fēng)固沙，料堆防風(fēng)固沙，港口粉塵治理，農(nóng)作物防風(fēng)，水電站防風(fēng)工程，等等。相關(guān)研究包括：Fang等人采用CFD模擬方法研究了影響農(nóng)作物防風(fēng)裝置性能的重要指標(biāo)，如孔隙率、排數(shù)、間距、高度、位置、朝向、頂端導(dǎo)流角度等等[13]；王世杰采用CFD模擬方法研究了料堆周圍風(fēng)速矢量場、風(fēng)壓、表面剪切應(yīng)力，對具有非均勻孔隙率的防風(fēng)抑塵網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[14]；Ha等人提出了微尺度的三維計(jì)算流體動力學(xué)模型，來預(yù)測山區(qū)地形的風(fēng)環(huán)境，并利用測試數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證[15]。借鑒其他工程領(lǐng)域采用防風(fēng)裝置進(jìn)行氣候防護(hù)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，可為破解跳臺滑雪場地風(fēng)環(huán)境優(yōu)化難的問題提供啟示。

本研究的主要目標(biāo)是對跳臺滑雪賽道核心區(qū)運(yùn)動流線上側(cè)向氣流進(jìn)行防控，保障運(yùn)動員的比賽安全。研究提出了一種跳臺滑雪賽道核心區(qū)氣流防控裝置形態(tài)模擬設(shè)計(jì)方法和流程。一方面，采用CFD模擬方法精準(zhǔn)控制運(yùn)動流線上的最高側(cè)向風(fēng)速，保障最高側(cè)向風(fēng)速不超過5 m/s。由于跳臺滑雪氣候防護(hù)研究幾乎為空白，國際上對于跳臺滑雪運(yùn)動流線側(cè)向風(fēng)控制并沒有標(biāo)準(zhǔn)，因此本研究采用北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 825—2015《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中所規(guī)定的室外舒適風(fēng)速5 m/s。另一方面，兼顧氣流防控裝置的美學(xué)特性，提出采用不規(guī)則曲線形態(tài)的氣流防控裝置控制跳臺滑雪核心區(qū)風(fēng)環(huán)境。

1 研究方法

本研究采用PHOENICS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。研究重點(diǎn)針對賽道剖面上方運(yùn)動流線側(cè)向風(fēng)速的精準(zhǔn)控制，設(shè)計(jì)賽道核心區(qū)氣流防控裝置的孔隙率、位置和形態(tài)組合。氣流防控裝置的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 賽道核心區(qū)側(cè)向氣流防控裝置設(shè)計(jì)流程

1.1 賽道核心區(qū)風(fēng)環(huán)境分析模型

由于跳臺所在山體脈絡(luò)和跳臺本身的形態(tài)都會對氣流的方向產(chǎn)生重要影響，因此賽道核心區(qū)風(fēng)環(huán)境分析模型由兩部分組成：跳臺所在區(qū)域山地地形模型和跳臺本體模型。這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)來源不同，因此分別搭建，再合成實(shí)體。

1.1.1跳臺周邊地形模型

跳臺所在山地地形模型的數(shù)據(jù)來源為地形高程數(shù)據(jù)，本研究采用17級高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度可達(dá)1 m。地形模型搭建過程如圖2所示：首先在張家口崇禮地區(qū)找到跳臺所在區(qū)域，將所選擇區(qū)域?qū)С鰹榈貓D繪制軟件GlobalMapper能夠識別的格式，如圖2a所示；將該區(qū)域數(shù)據(jù)導(dǎo)入GlobalMapper，導(dǎo)出obj格式模型，如圖2b所示；最后將obj格式模型導(dǎo)入三維造型軟件Rhino，如圖2c所示。

圖2 跳臺所在地形模型搭建流程

1.1.2跳臺模型

跳臺模型來源于項(xiàng)目設(shè)計(jì)方。圖3a所示為跳臺原始模型，研究需要將原始模型處理為氣流模擬所需要的實(shí)體模型。跳臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且有大量的曲面結(jié)構(gòu)，為實(shí)體模型的生成帶來了非常多的困難。研究對跳臺所有結(jié)構(gòu)面進(jìn)行逐面剪切，去除多余的表面，生成跳臺實(shí)體模型源模型，如圖3b所示。

圖3 跳臺模型搭建(源模型來源：跳臺項(xiàng)目設(shè)計(jì)方)

1.1.3跳臺風(fēng)場分析模型

將圖2的地形實(shí)體模型源模型和圖3的跳臺實(shí)體模型源模型合并，將跳臺模型和地形模型接口處互相穿插的結(jié)構(gòu)面逐面剪切，去掉多余的結(jié)構(gòu)面。在Rhino中進(jìn)行模型封閉檢查，檢查無誤后，導(dǎo)出跳臺及其周邊環(huán)境的實(shí)體模型，如圖4所示。跳臺有高、低2條賽道，北面為較高的賽道，受大風(fēng)沖擊也更為明顯。因此本研究中所有防風(fēng)分析都基于北側(cè)賽道進(jìn)行。

圖4 跳臺及其周邊環(huán)境實(shí)體模型

跳臺風(fēng)場模擬采用PHOENICS軟件進(jìn)行，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型。風(fēng)場計(jì)算域尺寸為1.86 km×1.15 km×0.50 km。由于研究重點(diǎn)是控制飛行段運(yùn)動流線上的側(cè)向氣流，所以對跳臺所在位置進(jìn)行局部加密。由于計(jì)算域規(guī)模大、場地復(fù)雜，核心區(qū)周邊區(qū)域網(wǎng)格漸變率過大會導(dǎo)致計(jì)算不收斂。但是另一方面，網(wǎng)格過密或者漸變率過低會導(dǎo)致計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)超出PHOENICS網(wǎng)格計(jì)算量的上限。經(jīng)過多次試算，將跳臺所在核心區(qū)域的網(wǎng)格尺寸定為5 m×5 m×5 m，周邊區(qū)域網(wǎng)格漸變率為1.1。網(wǎng)格劃分如圖5所示。由于跳臺兩側(cè)設(shè)計(jì)有曲線形態(tài)的側(cè)翼，為了將側(cè)翼對氣流的影響納入，對側(cè)翼進(jìn)行適度加厚，使得計(jì)算過程中氣流不會穿透側(cè)翼。依據(jù)賽區(qū)周邊山地風(fēng)場模擬結(jié)果和賽區(qū)氣象風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告，設(shè)定跳臺風(fēng)場模擬邊界條件。

圖5 跳臺風(fēng)場計(jì)算網(wǎng)格劃分

1.2 跳臺風(fēng)場模擬邊界條件

為確定跳臺核心區(qū)風(fēng)場模擬輸入邊界條件，進(jìn)行了跳臺所在大片區(qū)風(fēng)場模擬，并與賽區(qū)氣象風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。山地風(fēng)場復(fù)雜多變，邊界條件的設(shè)定不能完全基于崇禮氣象站數(shù)據(jù)。研究利用風(fēng)場診斷模式CALMET[16]，對跳臺所在山地風(fēng)場進(jìn)行模擬計(jì)算，觀察跳臺周邊的風(fēng)向風(fēng)速與大片區(qū)的輸入風(fēng)向風(fēng)速是否有較大差異。由于冬奧會和冬殘奧會期間崇禮氣象站最大風(fēng)速值在7～8 m/s之間，本研究為大片區(qū)風(fēng)場模擬假定了6 m/s和10 m/s 2種邊界條件。選取崇禮地區(qū)內(nèi)部、跳臺周邊邊長約為15 km的范圍進(jìn)行西北風(fēng)向2個風(fēng)速條件下的風(fēng)場模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。圖7為跳臺周邊地形的局部放大示意圖，紅色框范圍即為圖6a大片區(qū)風(fēng)場中的紅色框范圍，跳臺位于橙色框范圍內(nèi)。

圖6 跳臺周邊山區(qū)風(fēng)場模擬結(jié)果(風(fēng)向：西北)

圖7 跳臺在山地風(fēng)場中的位置示意圖

在大片區(qū)風(fēng)場模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步聚焦跳臺所在矩形范圍，精確提取來流風(fēng)速和風(fēng)向。如圖8所示，在西北風(fēng)向下，風(fēng)速為6 m/s時，跳臺來流風(fēng)向和主導(dǎo)風(fēng)向相差1°，風(fēng)速為10 m/s時，相差2°。跳臺來流風(fēng)向和大片區(qū)風(fēng)場輸入邊界條件基本一致。

圖8 跳臺周邊山地風(fēng)場模擬結(jié)果局部放大(風(fēng)向：西北)

根據(jù)《北京2022年冬奧會和冬殘奧會賽區(qū)氣象條件及氣象風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告(2018)》(以下簡稱《報(bào)告》)，2—3月時段內(nèi)，對于賽區(qū)造成影響的Ⅰ類天氣類型為西西伯利亞至蒙古國的冷高壓南侵時帶來的大風(fēng)和寒冷天氣，這是賽時主要天氣類型。《報(bào)告》中的實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，跳臺上游有2個主要站點(diǎn)：B3216和B3217。這2個站點(diǎn)的盛行風(fēng)向?yàn)楸薄⑽鞅逼焙臀鞅?，與大區(qū)域的主導(dǎo)風(fēng)向一致。這種一致性與前面大片區(qū)風(fēng)場模擬結(jié)果所顯示出的一致性也能夠互相印證。

選取跳臺山頂右側(cè)氣象站B3217的數(shù)據(jù)(如圖9所示)作為邊界條件：第一，因?yàn)檫@是來流邊界條件；第二，此處來流對于起跳點(diǎn)之后的飛行過程影響最大。《報(bào)告》中對比賽同時段，即2月4—20日的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，盛行風(fēng)向分別為北偏西22.5°、北偏西45°、北偏西67.5°(如圖10所示)，平均極大風(fēng)速為15.1 m/s，本研究用以上指標(biāo)作為跳臺風(fēng)場模擬的輸入條件。

圖9 跳臺山頂右側(cè)氣象站B3217平均風(fēng)速和極大風(fēng)速

圖10 跳臺山頂右側(cè)氣象站B3217風(fēng)玫瑰圖

1.3 防風(fēng)裝置設(shè)計(jì)方案

1.3.1防風(fēng)裝置層數(shù)、孔隙率配置方案

根據(jù)賽區(qū)氣象風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告和大片區(qū)風(fēng)場模擬分析，跳臺周邊冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅睅讉€風(fēng)向，因此將防護(hù)裝置放置于跳臺北側(cè)。圖11為防護(hù)裝置層數(shù)和孔隙率分析方案，圖12為防護(hù)裝置位置、尺寸示意圖。在PHOENICS中，防風(fēng)網(wǎng)的處理方式為：對象類型為Plate，且軟件可以提供對Plate穿孔率的設(shè)置。經(jīng)過試算驗(yàn)證，Plate這一對象類型能夠?qū)饬髌鸬阶钃踝饔谩?/p>

圖11 防護(hù)裝置層數(shù)和孔隙率分析方案

圖12 防護(hù)裝置位置、尺寸示意圖

研究通過賽道剖面運(yùn)動流線側(cè)向氣流確定防護(hù)裝置層數(shù)和孔隙率應(yīng)有的配置。防風(fēng)裝置東西向長度為800 m，防風(fēng)層之間的層間距為100 m，與跳臺本體最近的防護(hù)層距離跳臺約145 m，首層防護(hù)層垂直距離最短60 m，最長185 m。

1.3.2防風(fēng)裝置形態(tài)設(shè)計(jì)方案

為了配合跳臺的曲線形態(tài)，本研究設(shè)計(jì)采用曲線防風(fēng)裝置，在保障運(yùn)動安全的前提下，盡可能考慮裝置的美學(xué)特性，提升觀眾觀賽體驗(yàn)。表1所示為防護(hù)裝置形態(tài)方案演變流程。防風(fēng)裝置共有3種曲線形態(tài)：a型、b型和c型。其中：a型防風(fēng)裝置中后端拱起，著重防護(hù)北向風(fēng)對賽道中部，也就是運(yùn)動流線最高點(diǎn)的直接影響；b型防風(fēng)裝置前端拱起，主要用于防護(hù)西北風(fēng)；c型防風(fēng)裝置全線維持全高度。防風(fēng)裝置組合采用如下命名方式：b-c-a型防風(fēng)裝置，表示距離跳臺最近的防風(fēng)層為b型，中層為c型，外層為a型。

表1 防護(hù)裝置形態(tài)模型演變流程

2 研究結(jié)果

2.1 無防護(hù)下賽道核心區(qū)風(fēng)場

研究無防風(fēng)裝置條件下運(yùn)動流線上側(cè)向氣流大小，從而確定是否需要采取防風(fēng)裝置。圖13為某邊界條件下，運(yùn)動流線以下的側(cè)向氣流矢量圖，圖中的紅色曲線為運(yùn)動員整個運(yùn)動過程的流線。本研究所關(guān)注的是流線凸起部分的側(cè)向氣流大小，也就是運(yùn)動飛行段的側(cè)向氣流。只要這一段運(yùn)動過程的側(cè)向氣流達(dá)標(biāo)，就可以認(rèn)為運(yùn)動員整個運(yùn)動過程的側(cè)向氣流達(dá)標(biāo)。

圖13 賽道剖面運(yùn)動流線側(cè)向氣流矢量圖

共計(jì)算3種工況，分別對應(yīng)3個盛行風(fēng)向：北、西北偏北和西北。表2為3個盛行風(fēng)向下賽道核心區(qū)運(yùn)動流線側(cè)向風(fēng)速分析結(jié)果?？梢钥闯?，在室外風(fēng)速15.1 m/s的邊界條件下，如果不采取任何防風(fēng)措施，運(yùn)動員流線側(cè)向風(fēng)速均超過5 m/s。因此必須采取防風(fēng)裝置削減和重新組織氣流。

表2 無防風(fēng)裝置下運(yùn)動流線側(cè)向風(fēng)速分析結(jié)果

2.2 賽道核心區(qū)防風(fēng)裝置設(shè)計(jì)

2.2.1防風(fēng)裝置層數(shù)、孔隙率配置

分別計(jì)算圖11中1層、2層和3層防護(hù)裝置在孔隙率依次為0.7、0.8和0.9情況下的側(cè)向氣流?？紫堵室?.7為基準(zhǔn)依次遞增到0.9的原因在于：常用的防風(fēng)網(wǎng)孔隙率約為0.7；由于賽道防風(fēng)裝置高度較高，增大材料密度會增加材料自重，從而增加固定成本，也降低了安全系數(shù)，所以以0.7為基準(zhǔn)遞增。

由于賽道方向(運(yùn)動方向)與東西向的角度約為11°，因此北風(fēng)條件對于運(yùn)動員運(yùn)動過程的影響最為惡劣，所以采用北風(fēng)作為最不利條件進(jìn)行防風(fēng)裝置層數(shù)和孔隙率配置的分析。只要北風(fēng)條件下防風(fēng)裝置的層數(shù)和孔隙率能夠有效衰減側(cè)向氣流，即可認(rèn)為西北偏北和西北風(fēng)條件下防風(fēng)裝置也能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)向氣流的有效衰減。北風(fēng)條件下，運(yùn)動流線以下區(qū)域側(cè)向風(fēng)速模擬結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，只有采取孔隙率為0.7的3層防護(hù)裝置才能使側(cè)向氣流達(dá)標(biāo)。

表3 賽道核心區(qū)運(yùn)動流線以下側(cè)向風(fēng)速模擬結(jié)果

提取運(yùn)動員流線上側(cè)向風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)速衰減分析，如圖14所示?？梢钥闯觯弘S著防風(fēng)裝置層數(shù)的增加和孔隙率的降低，側(cè)向風(fēng)速的衰減程度增大。當(dāng)防風(fēng)裝置達(dá)到3層時，才能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動員整個運(yùn)動流線上側(cè)向風(fēng)速均低于5 m/s，當(dāng)防風(fēng)裝置孔隙率不超過0.7時，能夠保障運(yùn)動員流線上側(cè)向風(fēng)速低于2 m/s。所以后續(xù)關(guān)于防風(fēng)裝置形態(tài)的設(shè)計(jì)均以3層孔隙率為0.7的防風(fēng)裝置為基礎(chǔ)。

圖14 運(yùn)動流線側(cè)向風(fēng)速衰減分析(北風(fēng)，風(fēng)速15 m/s)

以運(yùn)動流線最高點(diǎn)為例，計(jì)算不同防風(fēng)裝置組合對于側(cè)向風(fēng)的衰減率，結(jié)果如表4所示。當(dāng)采用3層孔隙率為0.7的防護(hù)裝置時，運(yùn)動流線最高點(diǎn)側(cè)向氣流衰減率能夠達(dá)到87.0%。

表4 運(yùn)動流線最高點(diǎn)側(cè)向氣流衰減率

因此，基于3層孔隙率為0.7的防風(fēng)裝置配置進(jìn)行形態(tài)設(shè)計(jì)。

2.2.2防風(fēng)裝置形態(tài)設(shè)計(jì)

2.2.2.1防風(fēng)裝置最低高度設(shè)計(jì)

為了配合跳臺本身的曲面造型，同時降低防風(fēng)裝置高度，基于2.2.1節(jié)中3層孔隙率0.7的防風(fēng)裝置配置，將圖11c的線性防風(fēng)裝置頂端削減成不同位置高度一致的曲線形態(tài)，如圖15所示。在北風(fēng)和西北風(fēng)2種工況(理想工況)下，對不同高度的防風(fēng)裝置進(jìn)行試算，來確定最低高度。

圖15 70 m高曲線防風(fēng)裝置

多次試算結(jié)果表明，當(dāng)采用70 m高3層孔隙率0.7的曲線防風(fēng)裝置時，北風(fēng)、西北風(fēng)2種工況下運(yùn)動流線上側(cè)向風(fēng)速達(dá)標(biāo)，如圖16所示。因此，后續(xù)的曲線防風(fēng)形態(tài)設(shè)計(jì)基于70 m高防風(fēng)裝置進(jìn)行。

圖16 運(yùn)動流線以下側(cè)向風(fēng)速矢量圖

2.2.2.2防風(fēng)裝置曲線形態(tài)設(shè)計(jì)

在上節(jié)確定的70 m高均勻曲線防風(fēng)裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了3種不同形態(tài)的非均勻高度曲線防風(fēng)裝置，且3層防風(fēng)裝置采取交錯排列的形式(見表1)。為了推進(jìn)防風(fēng)裝置形態(tài)的進(jìn)一步精細(xì)化設(shè)計(jì)，對3個盛行風(fēng)向條件下的防風(fēng)效果進(jìn)行了完整的模擬計(jì)算。

表5為曲線防風(fēng)裝置組合作用下賽道剖面運(yùn)動流線以下的側(cè)向風(fēng)速分析結(jié)果。單一形態(tài)曲線防風(fēng)裝置組合無法滿足各風(fēng)向條件下運(yùn)動流線上側(cè)向風(fēng)速的衰減，如a-a-a型防風(fēng)裝置無法保障西北風(fēng)條件下側(cè)向風(fēng)速衰減，b-b-b型防風(fēng)裝置無法保障北風(fēng)條件下側(cè)向風(fēng)速衰減。因此需要采用曲線防風(fēng)裝置交錯排列形式。此外，為了提升風(fēng)速衰減率，防風(fēng)裝置中層采用c型防風(fēng)裝置。模擬結(jié)果顯示，b-c-a型防風(fēng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)各風(fēng)向條件下，運(yùn)動流線上側(cè)向風(fēng)速的精準(zhǔn)控制。

表5 防風(fēng)裝置防風(fēng)效果分析

比較無防護(hù)裝置和采用b-c-a型防護(hù)裝置2種情況下賽道剖面低風(fēng)速區(qū)面積(如表6所示)和整個賽場全風(fēng)速剖面(如表7所示)，可以發(fā)現(xiàn)，b-c-a型防護(hù)裝置能夠顯著提升低風(fēng)速區(qū)覆蓋面積，并提升整個賽道上方的氣流穩(wěn)定性，滿足冬奧跳臺滑雪項(xiàng)目賽道核心區(qū)氣流防護(hù)的要求。

表6 低于5 m/s的側(cè)向風(fēng)速區(qū)域

表7 賽道剖面全風(fēng)速云圖

續(xù)表

2.2.2.3防風(fēng)裝置形態(tài)修正

由于跳臺北側(cè)有路網(wǎng)、建筑群和測試跳臺(如圖17所示)，因此本節(jié)基于上節(jié)確定的防風(fēng)裝置曲線形態(tài)進(jìn)行修正，避讓北側(cè)障礙。修正后各風(fēng)向防風(fēng)性能如表8所示，運(yùn)動流線以下側(cè)向風(fēng)速均達(dá)標(biāo)。

圖17 主跳臺北側(cè)障礙物示意圖

表8 修正后的曲面防風(fēng)性能分析結(jié)果

續(xù)表

3 結(jié)語

本文針對跳臺滑雪賽道核心區(qū)側(cè)向風(fēng)速干預(yù)難的問題，基于CFD模擬技術(shù)，提出了氣流防控裝置設(shè)計(jì)方法和流程，在保障運(yùn)動員運(yùn)動安全性的同時，兼顧裝置的美學(xué)特性。依據(jù)研究提出的設(shè)計(jì)方法和流程，對張家口賽區(qū)跳臺滑雪中心進(jìn)行了氣流防控裝置設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用3層孔隙率為0.7的曲線形態(tài)防風(fēng)裝置。模擬結(jié)果顯示，防風(fēng)裝置能夠顯著提升賽道核心區(qū)剖面上方的低風(fēng)速區(qū)面積，提升整個賽道剖面的氣流穩(wěn)定性，運(yùn)動流線最高點(diǎn)側(cè)向氣流衰減率達(dá)到87%。本研究所提出的方法能夠滿足冬奧跳臺滑雪項(xiàng)目賽道核心區(qū)氣候防護(hù)的需求。然而，本文研究仍處在模擬設(shè)計(jì)階段，后續(xù)將進(jìn)一步開展防風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證，將本研究方法付諸實(shí)踐。