跳台滑雪项目飞行段气流防控装置设计方法研究

杨陆瑛，李雄彦，张铭琦，曹彬，李轩直，李紫微

0 引言

跳台滑雪运动是运动员以滑雪板为工具，在曲线形态的跳台上完成助滑、起跳、飞行和着陆的雪上竞技项目。在该运动项目中，稳定的风场对运动员的竞技水平和生命安全至关重要。由于跳台滑雪项目场馆多选择在严寒或寒冷地区建设，且大部分选择在野外或者山区，场地内气流分布会更加复杂。由于场地气象条件恶劣、赛道核心区气流控制介入难等问题，亟需一套针对跳台滑雪赛道核心区气流防控的系统性方法。

从跳台和运动过程的示意性图片[1]（图1）中我们可以了解跳台的曲面形态和运动员运动状态。根据实际工程，准确来说，大跳台的高度是136m，标准台的高度是115m。运动过程分为4 个阶段：助滑、起跳、飞行、着陆。在飞行阶段中，运动员与赛道表面分离，无法通过自身与赛道之间的摩擦来控制运动方向，这时垂直于运动方向的侧向气流速度会降低运动员身体稳定性，影响竞技水平和生命安全。本研究将基于计算流体力学（CFD）模拟技术，设计跳台滑雪赛道核心区气流防控装置，使飞行段侧向风速精确控制在安全范围内，提升比赛和观赛体验，保障运动员安全。

1 跳台滑雪运动过程的4个阶段：助滑、起跳、飞行、着陆，引自新华网[1]

当前国内外关于跳台滑雪项目的研究几乎全部聚焦于飞行姿态的气动特性，所采用的技术手段主要为CFD 技术和风洞试验技术。荣格（Jung）等人[2]采用风洞试验数据和计算机模拟方法来优化运动员的飞行模式；加丹（Gardan）等人[3]研究了运动员的姿势对空气动力的影响；诺斯楚德（Nørstrud）等人[4]采用CFD 模拟技术计算了人体、滑雪板位置和飞行角度配置的运动性能，并提出了一种新的跳台滑雪板设计方案；村上（Murakami）等人[5-6]通过视频图像分析方法研究了飞行距离和飞行姿态角度之间的相关性，根据运动数据分析不同的飞行姿势对飞行距离的影响；陈志峰[7]利用CFD 技术研究飞行过程中不同姿势和不同的迎风方向对空气动力的影响；胡齐等人[8]分析了滑雪板夹角对飞行阶段气动特性的影响。综上所述，当前针对跳台滑雪运动的气流防控研究基本空白。

国家体育总局的相关研究表明，在飞行阶段，当侧向风速较小时（小于3m/s），升力、阻力以及俯仰力矩增加缓慢，在风速较大时（大于4.5m/s），升力、阻力以及俯仰力矩开始快速增加，对运动员在空中飞行的稳定控制提出了更高的要求[9]。因此，本研究的主要目标是为赛道核心区的气流防控设计一套防风装置，将飞行段的侧向气流速度控制在4.5m/s 的安全范围内，保障运动员运动安全，提升比赛和观赛体验。

1 方法

本研究运用Phoenics 软件进行模拟计算，重点是精准控制赛道剖面上方运动流线的侧向风速，设计赛道运动区气流防护装置的位置和形态方案，对防护装置进行结构计算，形成一整套跳台滑雪赛道气流防护装置的设计流程（图2）。

2 赛道核心区侧向气流防控装置设计流程

2 方案设计

首先对防风装置进行方案设计，包括防风装置的位置、长度和高度。经过大量调研，选择防风装置的主要材料为孔隙率0.5 的柔性材料，装置其他参数的确定以这个参数为前提条件。

2.1 山地跳台CFD 模型建立

依据技术路线，研究首先对无防风措施条件下的整个训练场地的风场进行模拟计算、判断是否需要防风装置。训练基地一共有6 条跳台（图3），对该场地的跳台进行编号，主跳台是1 号跳台，往西依次是2～5 号跳台，主跳台东侧是6 号跳台。根据涞源当地的风速、风向测试数据，冬季的主要风向为西北方向的5 个朝向：北、西北偏北、西北、西北偏西、西，所有朝向下的最大风速值约为12.2m/s，这是CFD模拟分析的边界条件。计算域尺寸为1267m×1392m×450m，选择标准K-ε模型作为湍流模型（图4）。

3 山地跳台CFD模型跳台编号，基于设计方提供的跳台模型绘制

4 山地跳台CFD模型计算域

由于计算域规模大，网格过密会导致超过软件计算的上限。经过反复尝试，将整个模型的网格尺寸定为10m×10m×10m（图5、6）。

5 计算网格划分平面网格示意

6 计算网格划分剖面网格示意

2.2 无防风装置条件下风场模拟

1 号和2 号跳台的高度最高、长度最长，是涞源训练基地的主要跳台。5 号跳台在最西侧，最先受到来自西北向风的冲击。6 号跳台处于整个场地中比较开阔的位置，所有风向条件都可能会对6 号跳台产生影响。所以研究选取1 号、2 号、5 号和6 号这4 个跳台进行数据分析。

研究聚焦于飞行段侧向气流速度大小，来确定是否需要采取防风装置。图 7 为某一边界条件下飞行段侧向气流矢量图，图中的红色曲线为运动员整个运动过程的流线示意图。本研究所关注的是流线凸起部分的侧向气流大小，也就是运动飞行段的侧向气流。只要这一段运动过程的侧向气流速度达标，就认为可以保证运动员的安全。

7 赛道剖面飞行段侧向气流示意

研究共计算了5 个风向下无防风装置条件下的风场：北向、西北偏北、西北、西北偏西、西向。得到5 个风向下飞行段侧向风速分析结果（表1）。提取每一个风向下运动员飞行段以上距离赛道表面20m以内的侧向气流速度平均值，模拟结果表明，在西风条件下，1 号和2 号跳台的飞行段气流速度超标；最西侧的5 号跳台在西北偏北的风向下，飞行段侧向平均风速约为4.5m/s；6 号跳台在西风和北风条件下飞行段侧向气流速度均超标。因此必须采取防风装置组织气流。

表1 无防风装置下飞行段侧向风速分析结果，李紫微绘制

针对这些超标工况，通过流线分析找出来流位置（表2）。根据来流位置选择合适的位置设置防风装置，从而抑制气流。如表2 所示，西风条件对于1 号和2 号跳台飞行段的冲击较大，并且当气流冲过山顶之后，会和地面逐渐发生分离，所以在来流方向上的山地最高点设置一条比较长的防风带。在西北偏北的风向条件下，气流遇到山体向下的滑坡之后会改变流动方向，对最西侧的5 号跳台产生一定的冲击。最东侧的6 号跳台由于处在整个场地当中比较开阔的位置，西风和北风对6 号跳台中段都会产生较强的冲击。

表2 飞行段侧向气流速度超标工况的流线图，李紫微建模、绘制

10 防控装置位置、尺寸示意俯视

11 防控装置位置、尺寸示意正视

2.3 方案设计及性能验证

依据2.2 中对于不同方向来流的分析结果，研究在赛区内一共设置了4 条防风带，两长两短（图 8）。其中，两条较长的防风带位于场地最外侧，高度较高。两条较短的防风带处在坡地位置，进一步对来流进行衰减（图9-11，表3）。为了保证防风结构稳定性，防风带高度不超过35m，防风装置采用柔性材料。

8 防风装置方案设计，基于设计方提供的跳台模型进行防风网设计

9 防控装置位置、尺寸示意鸟瞰

表3 防风装置尺寸表

对每种超标工况下无防风措施和有防风措施的赛道中段侧向气流进行比较，加防风带之后，侧向气流速度都在4m/s 以下。某些工况下气流衰减率接近100%，满足冬奥跳台滑雪项目赛道核心区气流防护的要求。因此，防风装置可以实现对侧向气流的精确控制（表4）。

表4 超标工况飞行段侧向气流衰减率，李紫微绘制

3 结构设计

在完成了防风装置设计方案之后，还需要对防风装置进行结构设计，判断结构方案是否满足强度要求。研究采用了Dlubal 和3D3S 两个软件对支撑防风装置的钢构架进行了结构设计，计算指标主要包括钢构架的极限承载能力验算（应力比计算）以及正常使用状态的变形验算。依据防风装置高度初步确定钢构架的高度和截面尺寸，然后考虑风荷载和自重作用建立荷载组合工况，最后按照荷载组合工况进行构件的截面应力比验算和结构的位移验算，对比规范要求若满足则钢构架设计合理，若不满足则调整结构布置及截面尺寸，直到满足规范设计要求。

3.1 数值风洞模拟及风荷载分析

考虑防风装置位置和排布方向，依据地形南北走势分布情况按照不同风向角方向对防风装置进行了数值风洞模拟分析。限于篇幅，仅列出和防风装置面呈90°的数值风洞模拟的风速湍流图（图12-15）。结合PHOENICS 软件考虑不同风向角对应的风压分布，选取最不利情况，获得1～4 号防风装置的风压分布曲线（图16-19）。

12 1号防风装置风速湍流图（m/s）

13 2号防风装置风速湍流图（m/s）

14 3号防风装置风速湍流图（m/s）

15 4号防风装置风速湍流图（m/s）

16 1号防风装置风压分布图（kpa）

17 2号防风装置风压分布图（kpa）

18 3号防风装置风压分布图（kpa）

19 4号防风装置风压分布图（kpa）

按照《荷载规范》[10]算法，等效节点平均静风荷载Fi 表达式：

式1 中，ρ为空气密度，v 为i 节点高度平均风速，μ为i 节点的风压体型系数，A 为i 节点所在区域面积，ω为i 节点处的净风压，H 为梯度风高度，z 为i 节点高度，α为地面粗糙度系数。

3.2 钢构架有限元模型建立

固定防风装置的钢构架为桁架结构，所有构件均为圆钢管，材料强度等级为Q235 或Q345，立柱截面300mm×20mm 或200mm×20mm（Q345），水平杆100mm×10mm（Q235），斜撑150mm×10mm（Q235）。各结构布置相似，节间高度h 在总高度H 的1/12～1/15 之间。底部采用固定约束，钢构架的三维结构如图20 所示。

20 钢构架三维示意

根据结构荷载工况信息，防风装置及附属构件的自重折算为等效节点集中恒载Pz，端部钢构架为1.2kN，中间钢构件为2.4kN。风荷载按照数值风洞模拟结果得到风压分布，按照最不利风向角（垂直于防风装置面方向）计算的风压转换为等效节点荷载分别为Px 和Py。按照承载能力极限状态和正常使用极限状态进行荷载工况设置（表5）。

表5 荷载工况及荷载值

3.3 结构设计验算结果

依据计算分析模型进行规范检验，检验结果表明，结构能够满足设计计算要求，应力比最大值为0.63。表6 为模型总体应力比分布，图21-24 为钢构架的位移分布情况。

21 钢架位移分布图

22 钢架位移分布图

23 钢架位移分布图

24 钢架位移分布图

表6 应力比验算结果

4 结论

本研究针对跳台滑雪赛道核心区风速干预难的问题，提出了一套赛道核心区气流防护装置的系统性设计方法和流程，能够实现飞行段侧向气流的精准控制，保障运动员比赛安全。研究以涞源国家跳台滑雪训练基地的训练跳台为研究对象，采用CFD 模拟方法对气流防控装置进行方案设计和结构设计。设计结果显示，防风装置方案能够将所有跳台飞行段侧向气流速度控制在4m/s 以下，某些工况下防风装置对侧向气流速度的衰减率接近100%；结构设计方案能满足风压的荷载。研究所提出的方法能够保障运动员的比赛和训练安全。□