利用風(fēng)洞的鋼架雪車項目運動員滑行姿態(tài)減阻優(yōu)化

李 波 ，沈 夢，徐金成，胡 齊，張淵召，洪 平

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.國家體育總局冬季運動管理中心，北京 100044；3.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程與城市風(fēng)環(huán)境北京市重點實驗室，北京 100044；4.北京體育大學(xué)，北京 100084）

鋼架雪車是冬奧會正式比賽項目，其主要特點是運動速度快、危險系數(shù)高（韓艷麗 等，2021）。比賽在專門的賽道中進(jìn)行，賽道全長在1.3～2.0 km 之間，起終點落差在100～130 m 之間，速度范圍在80～120 km/h，最高時速可達(dá)147 km/h（李釗 等，2019；Francesco et al.，2016）。在正式比賽中，鋼架雪車項目不同名次運動員的競賽成績相差往往在毫厘之間，如平昌冬奧會男子鋼架雪車第1 名與第6 名成績相差1.2%，女子鋼架雪車第1 名與第8 名相差僅為0.6%（武林志 等，2019）。鋼架雪車運動員完成推撬、上撬啟動階段的技術(shù)動作后，將在賽道上滑行，此時只受到自身重力、風(fēng)阻力及觸冰阻力的作用（袁曉毅 等，2019；Roberts，2013）。因此，除提高推撬速度、滑行線路控制技術(shù)外，減少滑行過程中的阻力也是提高比賽成績的關(guān)鍵因素（高凡，2017；Bromley，1999）。根據(jù)車橇類項目運動表現(xiàn)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，滑行中阻力減少10%，滑行時間減少1%，即成績提升1%（Brownlie，2020）。在自身重力和觸冰阻力相對固定的條件下，減小鋼架雪車運動員在滑行中受到的風(fēng)阻力意義重大。Hastings（2008）研究表明，鋼架雪車本身僅占總空氣阻力的9%，因此，通過優(yōu)化運動員的滑行姿態(tài)來減少風(fēng)阻力是提高鋼架雪車項目比賽成績的重要途徑。

風(fēng)洞是按一定要求設(shè)計的、具有動力裝置的、用于各種氣動實驗的可控氣流管道系統(tǒng)，是開展空氣動力學(xué)相關(guān)研究的主要裝置（賀德馨，2006；武岳 等，2014）。根據(jù)相對運動的原理，風(fēng)洞中的風(fēng)速能夠模擬運動員高速運動的場景，風(fēng)洞技術(shù)被廣泛應(yīng)用于競技體育中，包括運動員運動姿態(tài)優(yōu)化、隊列優(yōu)化、低風(fēng)阻運動裝備研發(fā)等（Alam et al.，2019；Blocken et al.，2018；Brownlie，2020；D’Auteuil et al.，2012）。在運動姿態(tài)減阻優(yōu)化方面，Motallebi 等（2004）利用風(fēng)洞測試比較了男子雙人雪車運動員姿態(tài)的空氣動力學(xué)特征，將制動員上身前傾角度劃分為4 個范圍：0、（0，40］、（40，52］、（52，90］，通過比較發(fā)現(xiàn)，制動員上身前傾角度在40°～52°時空氣阻力最小。Leirdal 等（2006）在風(fēng)洞中測量了越野滑雪運動員身體位置“從高到低”所受的阻力，發(fā)現(xiàn)在30 s 的極量強(qiáng)度測試中，較低的軀干角度有利于減少阻力，與直立推撐姿勢相比，軀干幾乎水平時滑雪運動員的阻力降低30%。Brownlie（2020）通過風(fēng)洞研究雪橇運動員姿勢變化產(chǎn)生的阻力變化，結(jié)果顯示當(dāng)運動員“聳肩”以減小座位中肩部的寬度以及肩頸之間的間隙時，減阻程度最大，可減少8.7%的阻力。Elfmark等（2019，2021a，2021b）開展了高山滑雪、跳臺滑雪、速度滑冰等項目的風(fēng)洞測試，對重點運動員的運動姿態(tài)進(jìn)行減阻優(yōu)化，而這些測試正是冰雪運動強(qiáng)國挪威備戰(zhàn)北京2022 年冬奧會“Aerodynamic 2022”計劃的重要部分。風(fēng)洞技術(shù)在我國主要應(yīng)用于航空航天、高速鐵路、土木工程（賀德馨，2006；李波 等，2021；Li et al.，2022），在北京冬奧會備戰(zhàn)時開始應(yīng)用于競技體育中（胡齊 等，2018，2020；李波等，2022a，2022b； Li，2023）。

研究采用風(fēng)洞測試的方法，對我國鋼架雪車國家集訓(xùn)隊的8 名運動員進(jìn)行滑行姿態(tài)減阻優(yōu)化，以此減小運動員在滑行受到的空氣阻力，提升比賽成績，利用科技手段，助力冰雪奧運。

1 風(fēng)洞測試系統(tǒng)

本次風(fēng)洞測試在二七國家冰雪運動訓(xùn)練科研基地（以下簡稱“二七基地”）的體育綜合風(fēng)洞（圖1）進(jìn)行。該風(fēng)洞是一座回流式、帶駐室的開敞實驗段低速風(fēng)洞，實驗段高3.0 m、寬2.5 m、長8.0 m（橫截面按噴口尺寸），最大可控風(fēng)速為42 m/s，經(jīng)第三方校驗，風(fēng)洞的流場品質(zhì)優(yōu)秀。

圖1 二七基地體育綜合風(fēng)洞Figure 1.Wind Tunnel in Erqi Base

二七基地體育綜合風(fēng)洞的實驗段設(shè)置有專用測試平臺（圖2），平臺頂面與入口噴嘴的下邊緣平齊。測試平臺上噴嘴范圍內(nèi)為測試區(qū)，運動員在該區(qū)域進(jìn)行風(fēng)洞測試和訓(xùn)練，噴嘴范圍之外為輔助區(qū)，教練員、科研人員輔助測試與訓(xùn)練。

圖2 二七基地體育綜合風(fēng)洞的實驗段Figure 2.Test Section of Wind Tunnel in Erqi Base

測試平臺測試區(qū)前段固定有應(yīng)變式測力天平，測試平臺后段還可以增加測力天平，開展多人隊列的風(fēng)洞測試和訓(xùn)練。本次測試中，通過測試區(qū)前段的測力天平對每個工況下運動員受到的風(fēng)阻力進(jìn)行采集，測力天平阻力方向的量程為400 N，精度為0.2%。為了保證測量精度，試驗前、試驗后還需要通過專門的標(biāo)定裝置對測力天平進(jìn)行校準(zhǔn)。

為了避免風(fēng)洞測試平臺底板邊界層對測試結(jié)果的影響，需要將測試裝置抬高至邊界層之上。另外，為了增強(qiáng)實戰(zhàn)性，還需要對北京冬奧會延慶賽區(qū)國家雪車雪橇中心的賽道進(jìn)行模擬。綜合考慮二七基地體育綜合風(fēng)洞邊界層厚度、天平量程、鋼架雪車連接方式及其裝置對流場的影響后，設(shè)計的鋼架雪車測試裝置如圖3 所示。

圖3 測試裝置Figure 3.Test Devices

測試裝置長4 000 mm，寬1 500 mm，高800 mm，主要包括鋼架雪車連接件（I）、導(dǎo)流板（Ⅱ）、賽道側(cè)壁（Ⅲ）幾個部分。鋼架雪車連接件及導(dǎo)流板距風(fēng)洞測試平臺地面200 mm，連接件長1 600 mm，寬600 mm，位于裝置中心，與導(dǎo)流板之間間隙為10 mm，利用經(jīng)氣動設(shè)計的楔形塊（Ⅳ）將鋼架雪車固定在連接件上，導(dǎo)流板兼具模擬賽道底面的作用。連接件（I）通過可調(diào)節(jié)高度的小立柱與風(fēng)洞實驗段的測力天平相連。此外，還設(shè)計有頭墊（V）、腳墊（Ⅵ），幫助運動員在風(fēng)洞測試中保持身體姿態(tài)。

在測試過程中，通過投影儀將事先約定好的控制指令及測試數(shù)據(jù)實時投射在測試運動員的前方（圖4），上述信息同時顯示在風(fēng)洞實驗段駐室的側(cè)墻上，供教練員和科研團(tuán)隊實時獲得測試數(shù)據(jù)。

圖4 信息實時交互窗口Figure 4.Real-Time Information Interaction Window

在二七基地體育綜合風(fēng)洞的實驗段，布置有側(cè)視、前視、后視及俯視等4 個監(jiān)控攝像頭，測試平臺欄桿上還可以增設(shè)機(jī)位，對教練員、科研人員關(guān)心的部位進(jìn)行監(jiān)控。在本次測試中，還增設(shè)了頭、肩部的監(jiān)控機(jī)位，利用5 個機(jī)位全程記錄運動員在測試過程中姿態(tài)的變化。

2 姿態(tài)減阻優(yōu)化測試方法

運動員的運動姿態(tài)與運動生物力學(xué)、技術(shù)習(xí)慣、風(fēng)阻力都密切相關(guān)，姿態(tài)減阻優(yōu)化需要兼顧這些因素。因此，進(jìn)行姿態(tài)減阻優(yōu)化首先需要確定風(fēng)阻力影響大的階段，然后根據(jù)分解動作，選定一個或幾個關(guān)鍵姿態(tài)，在不影響技術(shù)發(fā)揮的條件下，按運動速度區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化。

對于鋼架雪車項目，滑行階段風(fēng)阻力對成績的影響最大。根據(jù)項目特點，選定基準(zhǔn)姿態(tài)（指運動員滑行時的“零線”姿態(tài)，調(diào)整動作完成后，運動員應(yīng)盡可能恢復(fù)到這個姿態(tài)）進(jìn)行滑行姿態(tài)優(yōu)化。結(jié)合運動員的技術(shù)動作特點，可以分別選取頭部、肩部、手部、腿部、腳部、身體位置、身體高度等進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，根據(jù)風(fēng)洞測試的結(jié)果，選擇風(fēng)阻力小的姿態(tài)進(jìn)行姿態(tài)組合，以此對滑行階段的姿態(tài)進(jìn)行減阻優(yōu)化。

根據(jù)上述思路，鋼架雪車項目滑行階段的姿態(tài)減阻優(yōu)化風(fēng)洞測試分3 步進(jìn)行。第1 步，在25 m/s 和30 m/s 風(fēng)速下，測試運動員基準(zhǔn)姿態(tài)風(fēng)阻力的大??；第2 步，在25 m/s和30 m/s 風(fēng)速下，進(jìn)行單個姿態(tài)調(diào)整的風(fēng)阻測試（表1），為了保證測試結(jié)果的可靠性，每組測試完成后，運動員休息調(diào)整2～3 min；第3 步，根據(jù)分組測試結(jié)果，選擇阻力最小的各個姿態(tài)進(jìn)行組合，在25 m/s 和30 m/s 風(fēng)速下，測試并驗證優(yōu)化姿態(tài)的減阻效果。

表1 測試姿態(tài)Table 1 Test Positions

測試中，每個工況數(shù)據(jù)采樣時長為15 s，通過廣義平穩(wěn)檢驗準(zhǔn)則，確定不少于10 s 的有效數(shù)據(jù)區(qū)間，有效區(qū)間內(nèi)的均值即為測得的風(fēng)阻力Fd。對于鋼架雪車項目，運動員的基準(zhǔn)姿態(tài)相對容易保持，廣義平穩(wěn)條件一般均滿足。但對于其他項目，如速度滑冰、單板滑雪，在進(jìn)行風(fēng)洞測試時，還需要設(shè)計專門的輔助支撐裝置，幫助運動員保持測試姿態(tài)。

此外，利用風(fēng)洞測試得到優(yōu)化姿態(tài)后，運動員除開展優(yōu)化姿態(tài)的專項訓(xùn)練外，還需要對運動裝備進(jìn)行改進(jìn)，用以協(xié)助運動員在比賽中保持優(yōu)化姿態(tài)。對于鋼架雪車項目，需要根據(jù)優(yōu)化姿態(tài)對車鞍進(jìn)行個性化處理。

3 測試結(jié)果

測試于2020 年1 月28—31 日進(jìn)行，每天測試2 名運動員，每名運動員測試60 組工況。表2 為鋼架雪車國家集訓(xùn)隊8 名運動員在25 m/s、30 m/s 風(fēng)速下基準(zhǔn)姿態(tài)的風(fēng)阻力Fd列表。

表2 基準(zhǔn)姿態(tài)風(fēng)阻力Table 2 Drag of Zero-Line Position N

如表2 所示，3 名女運動員基準(zhǔn)姿態(tài)的風(fēng)阻力分別為18.0、17.2 和16.7 N，彼此相差較小，僅為7.78%；而5 名男運動員基準(zhǔn)姿態(tài)的風(fēng)阻力分別為20.3、16.7、15.4、21.3 和20.6 N，數(shù)據(jù)相差較大，達(dá)到38.31%。女運動員中，F(xiàn)3 基準(zhǔn)姿態(tài)的風(fēng)阻力最小；男運動員中，M6 基準(zhǔn)姿態(tài)的風(fēng)阻力最小。值得注意的是，8 名運動員身高基本相當(dāng)，男運動員M5 與M6 的成績最好，其基準(zhǔn)姿態(tài)的風(fēng)阻力遠(yuǎn)低于其他3 名男運動員，甚至優(yōu)于女運動員，提示控制滑行階段的風(fēng)阻力與提高競技成績有關(guān)，且滑行姿態(tài)的風(fēng)阻力大小與性別關(guān)系不明顯。

M5 身體不同部位變化對風(fēng)阻力的影響如表3 所示?？梢钥闯?，對M5 而言，在25 m/s 滑行速度下，肩部、腿部姿態(tài)需要改進(jìn)，身體相對于撬的位置需要后移。根據(jù)風(fēng)洞測試數(shù)據(jù)，M5 身體后移并調(diào)整肩部、腿部姿態(tài)進(jìn)行姿態(tài)優(yōu)化后，優(yōu)化姿態(tài)（圖5）下的風(fēng)阻力僅為12.2 N，姿態(tài)的優(yōu)化減阻率達(dá)到了10.30%。

表3 姿態(tài)變化對風(fēng)阻力的影響（速度=25 m/s）Table 3 Effect of Position on Drag（ Velocity=25 m/s）

圖5 優(yōu)化姿態(tài)（M5）Figure 5.Optimal Position（ M5）

結(jié)合風(fēng)洞測試結(jié)果，可以從以下3 個方面分析鋼架雪車項目運動員滑行姿態(tài)（圖5）的空氣動力學(xué)性能：

首先是上表面，在滑行過程中，運動員的頭和臀是2 個突出的高點，將頭和臀控制在一條水平線上，可以使身體上方氣流的主流方向保持水平，減小頸部和背部下凹帶來的不利影響。運動員M5 的基準(zhǔn)姿態(tài)中，頭和臀的高度是一致的，因此，頭部的變化使得阻力變大。

其次是迎風(fēng)面，運動員身體略后移后，肩和撬前緣位置錯開，形成臺階狀，氣流流經(jīng)撬前緣時發(fā)生流動分離，肩后移后，正好處于撬前緣的分離氣流之中，作用在肩部迎風(fēng)面的正壓減小，從而使得阻力減小。此外，運動員M5 肩部后壓后，肩頭趨于圓弧狀，進(jìn)一步減小了迎風(fēng)面的正壓。

最后是背風(fēng)面，運動員腿部、腳部并攏有利于氣流后駐點后移，減小背風(fēng)面的風(fēng)吸力，從而使得阻力減小。運動員M5 的基準(zhǔn)姿態(tài)中，腿部并攏不夠，改進(jìn)后阻力值降低。

需要特別指出的是，每名運動員的身體條件、技術(shù)動作特點均不一樣，空氣動力學(xué)方面的一般性規(guī)律雖然為姿態(tài)優(yōu)化提供調(diào)整方向，但對于高水平運動員，更多的是經(jīng)過精細(xì)化的風(fēng)洞測試，根據(jù)定量化的數(shù)據(jù)找出特殊細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，給出個性化姿態(tài)優(yōu)化減阻方案。

如表4 所示，8 名運動員應(yīng)用風(fēng)洞姿態(tài)優(yōu)化減阻技術(shù)后，在滑行階段受到的風(fēng)阻力均得到了不同程度的降低。在25、30 m/s 滑行速度下，8 名運動員的平均減阻率分別為11.81%與11.75%，這說明了利用風(fēng)洞技術(shù)進(jìn)行姿態(tài)減阻優(yōu)化的有效性。值得注意的是，F(xiàn)3 在3 名女運動員中基準(zhǔn)姿態(tài)的風(fēng)阻力最小，但優(yōu)化姿態(tài)的減阻率并不是最??；5 名男運動員中，M5、M6 雖然基準(zhǔn)姿態(tài)的風(fēng)阻力遠(yuǎn)低于其他3 名運動員，但優(yōu)化姿態(tài)的平均減阻率仍達(dá)到10.50%與7.70%，而基準(zhǔn)姿態(tài)風(fēng)阻力最大的M8，優(yōu)化姿態(tài)減阻率并不是最大，這說明姿態(tài)減阻優(yōu)化的減阻率與基準(zhǔn)姿態(tài)風(fēng)阻力大小的關(guān)聯(lián)性不高，優(yōu)秀運動員的基準(zhǔn)姿態(tài)風(fēng)阻低，但利用風(fēng)洞進(jìn)行姿態(tài)減阻優(yōu)化，仍能夠較大幅度的減阻。鋼架雪車項目頂尖運動員的成績差距非常小，因此，優(yōu)秀運動員利用風(fēng)洞進(jìn)行滑行階段的姿態(tài)減阻優(yōu)化十分必要。

表4 優(yōu)化姿態(tài)的減阻率Table 4 Drag Reduction Rates of Optimal Position%

4 結(jié)論

本文以鋼架雪車項目為例，對利用風(fēng)洞進(jìn)行運動姿態(tài)減阻優(yōu)化的測試裝置、測試方法進(jìn)行了介紹，初步得出如下結(jié)論：

1）開展姿態(tài)減阻優(yōu)化，需要根據(jù)項目特點設(shè)計測試系統(tǒng)，對風(fēng)速、風(fēng)阻力、姿態(tài)進(jìn)行采集，利用投影、顯示屏實時顯示，必要時還需要設(shè)計幫助運動員保持姿態(tài)的輔助裝置。

2）需要結(jié)合項目特點，確定開展優(yōu)化的一個或幾個關(guān)鍵姿態(tài)，在不影響技術(shù)發(fā)揮的條件下，按運動速度區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化。

3）對于鋼架雪車項目，可以選擇滑行階段的基準(zhǔn)姿態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，按頭部、肩部、手部、腿部、腳部、身體位置、身體高度等部位進(jìn)行優(yōu)化組合。

4）滑行階段基準(zhǔn)姿態(tài)的測試結(jié)果表明，成績最好的2 名男運動員基準(zhǔn)姿態(tài)風(fēng)阻力最小，甚至低于女運動員，提示滑行階段風(fēng)阻力與比賽成績有關(guān)。

5）利用風(fēng)洞技術(shù)，8 名運動員在滑行階段受到的風(fēng)阻力均得到了不同程度的降低，平均減阻率達(dá)到11.78%；2 名優(yōu)秀男運動員基準(zhǔn)姿態(tài)的風(fēng)阻力雖然小，但優(yōu)化姿態(tài)的減阻率仍達(dá)到了10.50%與7.70%，根據(jù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ凸烙嬁梢蕴嵘煽?.00%與0.77%。

【致謝】本文在數(shù)據(jù)收集和撰寫過程中得到鋼架雪車國家集訓(xùn)隊、Kristin Collins 女士、中國航天空氣動力技術(shù)研究院的大力支持。