跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目飛行段氣流防控裝置設(shè)計(jì)方法研究

楊陸瑛，李雄彥，張銘琦，曹彬，李軒直，李紫微

0 引言

跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)是運(yùn)動(dòng)員以滑雪板為工具，在曲線形態(tài)的跳臺(tái)上完成助滑、起跳、飛行和著陸的雪上競(jìng)技項(xiàng)目。在該運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，穩(wěn)定的風(fēng)場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技水平和生命安全至關(guān)重要。由于跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目場(chǎng)館多選擇在嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)建設(shè)，且大部分選擇在野外或者山區(qū)，場(chǎng)地內(nèi)氣流分布會(huì)更加復(fù)雜。由于場(chǎng)地氣象條件惡劣、賽道核心區(qū)氣流控制介入難等問題，亟需一套針對(duì)跳臺(tái)滑雪賽道核心區(qū)氣流防控的系統(tǒng)性方法。

從跳臺(tái)和運(yùn)動(dòng)過程的示意性圖片[1]（圖1）中我們可以了解跳臺(tái)的曲面形態(tài)和運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)實(shí)際工程，準(zhǔn)確來說，大跳臺(tái)的高度是136m，標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)的高度是115m。運(yùn)動(dòng)過程分為4 個(gè)階段：助滑、起跳、飛行、著陸。在飛行階段中，運(yùn)動(dòng)員與賽道表面分離，無法通過自身與賽道之間的摩擦來控制運(yùn)動(dòng)方向，這時(shí)垂直于運(yùn)動(dòng)方向的側(cè)向氣流速度會(huì)降低運(yùn)動(dòng)員身體穩(wěn)定性，影響競(jìng)技水平和生命安全。本研究將基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)，設(shè)計(jì)跳臺(tái)滑雪賽道核心區(qū)氣流防控裝置，使飛行段側(cè)向風(fēng)速精確控制在安全范圍內(nèi)，提升比賽和觀賽體驗(yàn)，保障運(yùn)動(dòng)員安全。

1 跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)過程的4個(gè)階段：助滑、起跳、飛行、著陸，引自新華網(wǎng)[1]

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目的研究幾乎全部聚焦于飛行姿態(tài)的氣動(dòng)特性，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)。榮格（Jung）等人[2]采用風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)模擬方法來優(yōu)化運(yùn)動(dòng)員的飛行模式；加丹（Gardan）等人[3]研究了運(yùn)動(dòng)員的姿勢(shì)對(duì)空氣動(dòng)力的影響；諾斯楚德（N?rstrud）等人[4]采用CFD 模擬技術(shù)計(jì)算了人體、滑雪板位置和飛行角度配置的運(yùn)動(dòng)性能，并提出了一種新的跳臺(tái)滑雪板設(shè)計(jì)方案；村上（Murakami）等人[5-6]通過視頻圖像分析方法研究了飛行距離和飛行姿態(tài)角度之間的相關(guān)性，根據(jù)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析不同的飛行姿勢(shì)對(duì)飛行距離的影響；陳志峰[7]利用CFD 技術(shù)研究飛行過程中不同姿勢(shì)和不同的迎風(fēng)方向?qū)諝鈩?dòng)力的影響；胡齊等人[8]分析了滑雪板夾角對(duì)飛行階段氣動(dòng)特性的影響。綜上所述，當(dāng)前針對(duì)跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)的氣流防控研究基本空白。

國(guó)家體育總局的相關(guān)研究表明，在飛行階段，當(dāng)側(cè)向風(fēng)速較小時(shí)（小于3m/s），升力、阻力以及俯仰力矩增加緩慢，在風(fēng)速較大時(shí)（大于4.5m/s），升力、阻力以及俯仰力矩開始快速增加，對(duì)運(yùn)動(dòng)員在空中飛行的穩(wěn)定控制提出了更高的要求[9]。因此，本研究的主要目標(biāo)是為賽道核心區(qū)的氣流防控設(shè)計(jì)一套防風(fēng)裝置，將飛行段的側(cè)向氣流速度控制在4.5m/s 的安全范圍內(nèi)，保障運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)安全，提升比賽和觀賽體驗(yàn)。

1 方法

本研究運(yùn)用Phoenics 軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，重點(diǎn)是精準(zhǔn)控制賽道剖面上方運(yùn)動(dòng)流線的側(cè)向風(fēng)速，設(shè)計(jì)賽道運(yùn)動(dòng)區(qū)氣流防護(hù)裝置的位置和形態(tài)方案，對(duì)防護(hù)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，形成一整套跳臺(tái)滑雪賽道氣流防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)流程（圖2）。

2 賽道核心區(qū)側(cè)向氣流防控裝置設(shè)計(jì)流程

2 方案設(shè)計(jì)

首先對(duì)防風(fēng)裝置進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，包括防風(fēng)裝置的位置、長(zhǎng)度和高度。經(jīng)過大量調(diào)研，選擇防風(fēng)裝置的主要材料為孔隙率0.5 的柔性材料，裝置其他參數(shù)的確定以這個(gè)參數(shù)為前提條件。

2.1 山地跳臺(tái)CFD 模型建立

依據(jù)技術(shù)路線，研究首先對(duì)無防風(fēng)措施條件下的整個(gè)訓(xùn)練場(chǎng)地的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算、判斷是否需要防風(fēng)裝置。訓(xùn)練基地一共有6 條跳臺(tái)（圖3），對(duì)該場(chǎng)地的跳臺(tái)進(jìn)行編號(hào)，主跳臺(tái)是1 號(hào)跳臺(tái)，往西依次是2～5 號(hào)跳臺(tái)，主跳臺(tái)東側(cè)是6 號(hào)跳臺(tái)。根據(jù)淶源當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速、風(fēng)向測(cè)試數(shù)據(jù)，冬季的主要風(fēng)向?yàn)槲鞅狈较虻? 個(gè)朝向：北、西北偏北、西北、西北偏西、西，所有朝向下的最大風(fēng)速值約為12.2m/s，這是CFD模擬分析的邊界條件。計(jì)算域尺寸為1267m×1392m×450m，選擇標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型作為湍流模型（圖4）。

3 山地跳臺(tái)CFD模型跳臺(tái)編號(hào)，基于設(shè)計(jì)方提供的跳臺(tái)模型繪制

4 山地跳臺(tái)CFD模型計(jì)算域

由于計(jì)算域規(guī)模大，網(wǎng)格過密會(huì)導(dǎo)致超過軟件計(jì)算的上限。經(jīng)過反復(fù)嘗試，將整個(gè)模型的網(wǎng)格尺寸定為10m×10m×10m（圖5、6）。

5 計(jì)算網(wǎng)格劃分平面網(wǎng)格示意

6 計(jì)算網(wǎng)格劃分剖面網(wǎng)格示意

2.2 無防風(fēng)裝置條件下風(fēng)場(chǎng)模擬

1 號(hào)和2 號(hào)跳臺(tái)的高度最高、長(zhǎng)度最長(zhǎng)，是淶源訓(xùn)練基地的主要跳臺(tái)。5 號(hào)跳臺(tái)在最西側(cè)，最先受到來自西北向風(fēng)的沖擊。6 號(hào)跳臺(tái)處于整個(gè)場(chǎng)地中比較開闊的位置，所有風(fēng)向條件都可能會(huì)對(duì)6 號(hào)跳臺(tái)產(chǎn)生影響。所以研究選取1 號(hào)、2 號(hào)、5 號(hào)和6 號(hào)這4 個(gè)跳臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

研究聚焦于飛行段側(cè)向氣流速度大小，來確定是否需要采取防風(fēng)裝置。圖 7 為某一邊界條件下飛行段側(cè)向氣流矢量圖，圖中的紅色曲線為運(yùn)動(dòng)員整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的流線示意圖。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(dòng)飛行段的側(cè)向氣流。只要這一段運(yùn)動(dòng)過程的側(cè)向氣流速度達(dá)標(biāo)，就認(rèn)為可以保證運(yùn)動(dòng)員的安全。

7 賽道剖面飛行段側(cè)向氣流示意

研究共計(jì)算了5 個(gè)風(fēng)向下無防風(fēng)裝置條件下的風(fēng)場(chǎng)：北向、西北偏北、西北、西北偏西、西向。得到5 個(gè)風(fēng)向下飛行段側(cè)向風(fēng)速分析結(jié)果（表1）。提取每一個(gè)風(fēng)向下運(yùn)動(dòng)員飛行段以上距離賽道表面20m以內(nèi)的側(cè)向氣流速度平均值，模擬結(jié)果表明，在西風(fēng)條件下，1 號(hào)和2 號(hào)跳臺(tái)的飛行段氣流速度超標(biāo)；最西側(cè)的5 號(hào)跳臺(tái)在西北偏北的風(fēng)向下，飛行段側(cè)向平均風(fēng)速約為4.5m/s；6 號(hào)跳臺(tái)在西風(fēng)和北風(fēng)條件下飛行段側(cè)向氣流速度均超標(biāo)。因此必須采取防風(fēng)裝置組織氣流。

表1 無防風(fēng)裝置下飛行段側(cè)向風(fēng)速分析結(jié)果，李紫微繪制

針對(duì)這些超標(biāo)工況，通過流線分析找出來流位置（表2）。根據(jù)來流位置選擇合適的位置設(shè)置防風(fēng)裝置，從而抑制氣流。如表2 所示，西風(fēng)條件對(duì)于1 號(hào)和2 號(hào)跳臺(tái)飛行段的沖擊較大，并且當(dāng)氣流沖過山頂之后，會(huì)和地面逐漸發(fā)生分離，所以在來流方向上的山地最高點(diǎn)設(shè)置一條比較長(zhǎng)的防風(fēng)帶。在西北偏北的風(fēng)向條件下，氣流遇到山體向下的滑坡之后會(huì)改變流動(dòng)方向，對(duì)最西側(cè)的5 號(hào)跳臺(tái)產(chǎn)生一定的沖擊。最東側(cè)的6 號(hào)跳臺(tái)由于處在整個(gè)場(chǎng)地當(dāng)中比較開闊的位置，西風(fēng)和北風(fēng)對(duì)6 號(hào)跳臺(tái)中段都會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊。

表2 飛行段側(cè)向氣流速度超標(biāo)工況的流線圖，李紫微建模、繪制

10 防控裝置位置、尺寸示意俯視

11 防控裝置位置、尺寸示意正視

2.3 方案設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證

依據(jù)2.2 中對(duì)于不同方向來流的分析結(jié)果，研究在賽區(qū)內(nèi)一共設(shè)置了4 條防風(fēng)帶，兩長(zhǎng)兩短（圖 8）。其中，兩條較長(zhǎng)的防風(fēng)帶位于場(chǎng)地最外側(cè)，高度較高。兩條較短的防風(fēng)帶處在坡地位置，進(jìn)一步對(duì)來流進(jìn)行衰減（圖9-11，表3）。為了保證防風(fēng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防風(fēng)帶高度不超過35m，防風(fēng)裝置采用柔性材料。

8 防風(fēng)裝置方案設(shè)計(jì)，基于設(shè)計(jì)方提供的跳臺(tái)模型進(jìn)行防風(fēng)網(wǎng)設(shè)計(jì)

9 防控裝置位置、尺寸示意鳥瞰

表3 防風(fēng)裝置尺寸表

對(duì)每種超標(biāo)工況下無防風(fēng)措施和有防風(fēng)措施的賽道中段側(cè)向氣流進(jìn)行比較，加防風(fēng)帶之后，側(cè)向氣流速度都在4m/s 以下。某些工況下氣流衰減率接近100%，滿足冬奧跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目賽道核心區(qū)氣流防護(hù)的要求。因此，防風(fēng)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)向氣流的精確控制（表4）。

表4 超標(biāo)工況飛行段側(cè)向氣流衰減率，李紫微繪制

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在完成了防風(fēng)裝置設(shè)計(jì)方案之后，還需要對(duì)防風(fēng)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，判斷結(jié)構(gòu)方案是否滿足強(qiáng)度要求。研究采用了Dlubal 和3D3S 兩個(gè)軟件對(duì)支撐防風(fēng)裝置的鋼構(gòu)架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算指標(biāo)主要包括鋼構(gòu)架的極限承載能力驗(yàn)算（應(yīng)力比計(jì)算）以及正常使用狀態(tài)的變形驗(yàn)算。依據(jù)防風(fēng)裝置高度初步確定鋼構(gòu)架的高度和截面尺寸，然后考慮風(fēng)荷載和自重作用建立荷載組合工況，最后按照荷載組合工況進(jìn)行構(gòu)件的截面應(yīng)力比驗(yàn)算和結(jié)構(gòu)的位移驗(yàn)算，對(duì)比規(guī)范要求若滿足則鋼構(gòu)架設(shè)計(jì)合理，若不滿足則調(diào)整結(jié)構(gòu)布置及截面尺寸，直到滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

3.1 數(shù)值風(fēng)洞模擬及風(fēng)荷載分析

考慮防風(fēng)裝置位置和排布方向，依據(jù)地形南北走勢(shì)分布情況按照不同風(fēng)向角方向?qū)Ψ里L(fēng)裝置進(jìn)行了數(shù)值風(fēng)洞模擬分析。限于篇幅，僅列出和防風(fēng)裝置面呈90°的數(shù)值風(fēng)洞模擬的風(fēng)速湍流圖（圖12-15）。結(jié)合PHOENICS 軟件考慮不同風(fēng)向角對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓分布，選取最不利情況，獲得1～4 號(hào)防風(fēng)裝置的風(fēng)壓分布曲線（圖16-19）。

12 1號(hào)防風(fēng)裝置風(fēng)速湍流圖（m/s）

13 2號(hào)防風(fēng)裝置風(fēng)速湍流圖（m/s）

14 3號(hào)防風(fēng)裝置風(fēng)速湍流圖（m/s）

15 4號(hào)防風(fēng)裝置風(fēng)速湍流圖（m/s）

16 1號(hào)防風(fēng)裝置風(fēng)壓分布圖（kpa）

17 2號(hào)防風(fēng)裝置風(fēng)壓分布圖（kpa）

18 3號(hào)防風(fēng)裝置風(fēng)壓分布圖（kpa）

19 4號(hào)防風(fēng)裝置風(fēng)壓分布圖（kpa）

按照《荷載規(guī)范》[10]算法，等效節(jié)點(diǎn)平均靜風(fēng)荷載Fi 表達(dá)式：

式1 中，ρ為空氣密度，v 為i 節(jié)點(diǎn)高度平均風(fēng)速，μ為i 節(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓體型系數(shù)，A 為i 節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域面積，ω為i 節(jié)點(diǎn)處的凈風(fēng)壓，H 為梯度風(fēng)高度，z 為i 節(jié)點(diǎn)高度，α為地面粗糙度系數(shù)。

3.2 鋼構(gòu)架有限元模型建立

固定防風(fēng)裝置的鋼構(gòu)架為桁架結(jié)構(gòu)，所有構(gòu)件均為圓鋼管，材料強(qiáng)度等級(jí)為Q235 或Q345，立柱截面300mm×20mm 或200mm×20mm（Q345），水平桿100mm×10mm（Q235），斜撐150mm×10mm（Q235）。各結(jié)構(gòu)布置相似，節(jié)間高度h 在總高度H 的1/12～1/15 之間。底部采用固定約束，鋼構(gòu)架的三維結(jié)構(gòu)如圖20 所示。

20 鋼構(gòu)架三維示意

根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載工況信息，防風(fēng)裝置及附屬構(gòu)件的自重折算為等效節(jié)點(diǎn)集中恒載Pz，端部鋼構(gòu)架為1.2kN，中間鋼構(gòu)件為2.4kN。風(fēng)荷載按照數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果得到風(fēng)壓分布，按照最不利風(fēng)向角（垂直于防風(fēng)裝置面方向）計(jì)算的風(fēng)壓轉(zhuǎn)換為等效節(jié)點(diǎn)荷載分別為Px 和Py。按照承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行荷載工況設(shè)置（表5）。

表5 荷載工況及荷載值

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算結(jié)果

依據(jù)計(jì)算分析模型進(jìn)行規(guī)范檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)計(jì)算要求，應(yīng)力比最大值為0.63。表6 為模型總體應(yīng)力比分布，圖21-24 為鋼構(gòu)架的位移分布情況。

21 鋼架位移分布圖

22 鋼架位移分布圖

23 鋼架位移分布圖

24 鋼架位移分布圖

表6 應(yīng)力比驗(yàn)算結(jié)果

4 結(jié)論

本研究針對(duì)跳臺(tái)滑雪賽道核心區(qū)風(fēng)速干預(yù)難的問題，提出了一套賽道核心區(qū)氣流防護(hù)裝置的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方法和流程，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行段側(cè)向氣流的精準(zhǔn)控制，保障運(yùn)動(dòng)員比賽安全。研究以淶源國(guó)家跳臺(tái)滑雪訓(xùn)練基地的訓(xùn)練跳臺(tái)為研究對(duì)象，采用CFD 模擬方法對(duì)氣流防控裝置進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，防風(fēng)裝置方案能夠?qū)⑺刑_(tái)飛行段側(cè)向氣流速度控制在4m/s 以下，某些工況下防風(fēng)裝置對(duì)側(cè)向氣流速度的衰減率接近100%；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能滿足風(fēng)壓的荷載。研究所提出的方法能夠保障運(yùn)動(dòng)員的比賽和訓(xùn)練安全?！?/p>