冬奧會跳臺滑雪項目賽道核心區氣流防控裝置模擬設計方法*

北京工業大學 李紫微清華大學建筑設計研究院有限公司 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 林波榮 曹 彬

0 引言

2022年冬奧會將在北京和張家口舉辦，將大力推進我國冰雪運動的全民普及和運動產業發展。長期以來，我國冰雪產業薄弱，與西方國家存在差距，大力發展冬奧科技勢在必行。本研究依托于國家重點研發計劃項目“科技冬奧”專項，旨在打破發達國家在冰雪運動場館建設和運營技術方面的技術壟斷，提升我國冰雪運動項目的國際話語權。

跳臺滑雪項目是冰雪運動的重要項目，場地設計技術的發展關系到跳臺滑雪項目的普及。跳臺滑雪項目場地多在寒冷或嚴寒地區，容易受到冬季冷風沖擊，比賽和觀賽時氣候惡劣。跳臺核心區適宜且穩定的風場環境對于運動員安全至關重要。長期以來，由于場外氣候風環境不可控、場地核心區氣流控制介入難等問題，缺乏跳臺滑雪賽道風環境優化的方法。這無法滿足跳臺滑雪場地建設的技術需求，也不利于冰雪運動項目的公眾參與。因此，突破跳臺滑雪場地風環境優化控制難的問題，成為當下緊迫需求。

跳臺滑雪運動過程分為助滑、起跳、飛行、著陸4個階段[1]。在飛行階段，運動員將脫離滑道，此時垂直于運動員運動方向的氣流將會對運動過程產生不利影響，甚至會存在嚴重的安全隱患。因此本研究針對跳臺滑雪賽道核心區側向氣流防控方法開展研究，以保障運動員的比賽安全。

現有的跳臺滑雪相關研究所采用的技術手段主要為CFD技術和風洞試驗技術，但是研究內容主要聚焦于運動姿勢和運動器材的優化。N?rstrud等人采用計算流體力學模擬了不同的人體、滑雪板位置和飛行角度下運動員的表現，并基于數值分析結果提出了一種新的跳臺滑雪板設計方案[2]；Müller采用基于風洞試驗數據的計算流體力學模型，研究了不同變量和初始條件對飛行距離的影響[3]；Gardan等人基于風洞試驗數據開發了一種數值方法，研究了跳臺滑雪運動員的姿勢和速度對大迎角范圍內的空氣動力的影響[4]；Murakami等人根據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等人采用風洞試驗研究了迎角和人體/滑雪板夾角對空氣動力的影響[6]；Meile等人通過實驗和CFD模擬2種方式研究了跳臺滑雪運動員的姿勢對空氣動力的影響[7]；Schm?lzer等人通過從奧運會比賽獲取的數據分析了跳臺滑雪運動的不同飛行姿勢[8]；Virmavirta等人分析了跳臺滑雪運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攝像解析方法在跳臺滑雪運動中的應用[11]；劉樹明采用空氣動力學方法分析了跳臺滑雪運動的傳統姿勢、V形姿勢及平V形姿勢，以優化飛行姿勢和技術[12]。

然而，針對跳臺滑雪運動的氣候防護研究基本空白。氣候防護研究在多個領域中均得到了廣泛應用，比如：鐵路、公路沿線防風固沙，料堆防風固沙，港口粉塵治理，農作物防風，水電站防風工程，等等。相關研究包括：Fang等人采用CFD模擬方法研究了影響農作物防風裝置性能的重要指標，如孔隙率、排數、間距、高度、位置、朝向、頂端導流角度等等[13]；王世杰采用CFD模擬方法研究了料堆周圍風速矢量場、風壓、表面剪切應力，對具有非均勻孔隙率的防風抑塵網進行了優化設計[14]；Ha等人提出了微尺度的三維計算流體動力學模型，來預測山區地形的風環境，并利用測試數據對模型進行了驗證[15]。借鑒其他工程領域采用防風裝置進行氣候防護設計的經驗，可為破解跳臺滑雪場地風環境優化難的問題提供啟示。

本研究的主要目標是對跳臺滑雪賽道核心區運動流線上側向氣流進行防控，保障運動員的比賽安全。研究提出了一種跳臺滑雪賽道核心區氣流防控裝置形態模擬設計方法和流程。一方面，采用CFD模擬方法精準控制運動流線上的最高側向風速，保障最高側向風速不超過5 m/s。由于跳臺滑雪氣候防護研究幾乎為空白，國際上對于跳臺滑雪運動流線側向風控制并沒有標準，因此本研究采用北京市地方標準DB11/T 825—2015《綠色建筑評價標準》中所規定的室外舒適風速5 m/s。另一方面，兼顧氣流防控裝置的美學特性，提出采用不規則曲線形態的氣流防控裝置控制跳臺滑雪核心區風環境。

1 研究方法

本研究采用PHOENICS軟件進行模擬計算。研究重點針對賽道剖面上方運動流線側向風速的精準控制，設計賽道核心區氣流防控裝置的孔隙率、位置和形態組合。氣流防控裝置的設計流程如圖1所示。

圖1 賽道核心區側向氣流防控裝置設計流程

1.1 賽道核心區風環境分析模型

由于跳臺所在山體脈絡和跳臺本身的形態都會對氣流的方向產生重要影響，因此賽道核心區風環境分析模型由兩部分組成：跳臺所在區域山地地形模型和跳臺本體模型。這兩部分數據來源不同，因此分別搭建，再合成實體。

1.1.1跳臺周邊地形模型

跳臺所在山地地形模型的數據來源為地形高程數據，本研究采用17級高程數據，數據精度可達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找到跳臺所在區域，將所選擇區域導出為地圖繪制軟件GlobalMapper能夠識別的格式，如圖2a所示；將該區域數據導入GlobalMapper，導出obj格式模型，如圖2b所示；最后將obj格式模型導入三維造型軟件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

跳臺模型來源于項目設計方。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體模型。跳臺內部結構復雜，并且有大量的曲面結構，為實體模型的生成帶來了非常多的困難。研究對跳臺所有結構面進行逐面剪切，去除多余的表面，生成跳臺實體模型源模型，如圖3b所示。

圖3 跳臺模型搭建(源模型來源：跳臺項目設計方)

1.1.3跳臺風場分析模型

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

圖4 跳臺及其周邊環境實體模型

跳臺風場模擬采用PHOENICS軟件進行，湍流模型為標準K-ε模型。風場計算域尺寸為1.86 km×1.15 km×0.50 km。由于研究重點是控制飛行段運動流線上的側向氣流，所以對跳臺所在位置進行局部加密。由于計算域規模大、場地復雜，核心區周邊區域網格漸變率過大會導致計算不收斂。但是另一方面，網格過密或者漸變率過低會導致計算域網格總數超出PHOENICS網格計算量的上限。經過多次試算，將跳臺所在核心區域的網格尺寸定為5 m×5 m×5 m，周邊區域網格漸變率為1.1。網格劃分如圖5所示。由于跳臺兩側設計有曲線形態的側翼，為了將側翼對氣流的影響納入，對側翼進行適度加厚，使得計算過程中氣流不會穿透側翼。依據賽區周邊山地風場模擬結果和賽區氣象風險分析報告，設定跳臺風場模擬邊界條件。

圖5 跳臺風場計算網格劃分

1.2 跳臺風場模擬邊界條件

為確定跳臺核心區風場模擬輸入邊界條件，進行了跳臺所在大片區風場模擬，并與賽區氣象風險分析報告中的數據進行對比驗證。山地風場復雜多變，邊界條件的設定不能完全基于崇禮氣象站數據。研究利用風場診斷模式CALMET[16]，對跳臺所在山地風場進行模擬計算，觀察跳臺周邊的風向風速與大片區的輸入風向風速是否有較大差異。由于冬奧會和冬殘奧會期間崇禮氣象站最大風速值在7～8 m/s之間，本研究為大片區風場模擬假定了6 m/s和10 m/s 2種邊界條件。選取崇禮地區內部、跳臺周邊邊長約為15 km的范圍進行西北風向2個風速條件下的風場模擬，模擬結果如圖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大片區風場中的紅色框范圍，跳臺位于橙色框范圍內。

圖6 跳臺周邊山區風場模擬結果(風向：西北)

圖7 跳臺在山地風場中的位置示意圖

在大片區風場模擬的基礎上，進一步聚焦跳臺所在矩形范圍，精確提取來流風速和風向。如圖8所示，在西北風向下，風速為6 m/s時，跳臺來流風向和主導風向相差1°，風速為10 m/s時，相差2°。跳臺來流風向和大片區風場輸入邊界條件基本一致。

圖8 跳臺周邊山地風場模擬結果局部放大(風向：西北)

根據《北京2022年冬奧會和冬殘奧會賽區氣象條件及氣象風險分析報告(2018)》(以下簡稱《報告》)，2—3月時段內，對于賽區造成影響的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和寒冷天氣，這是賽時主要天氣類型。《報告》中的實測數據顯示，跳臺上游有2個主要站點：B3216和B3217。這2個站點的盛行風向為北、西北偏北和西北，與大區域的主導風向一致。這種一致性與前面大片區風場模擬結果所顯示出的一致性也能夠互相印證。

選取跳臺山頂右側氣象站B3217的數據(如圖9所示)作為邊界條件：第一，因為這是來流邊界條件；第二，此處來流對于起跳點之后的飛行過程影響最大。《報告》中對比賽同時段，即2月4—20日的風速風向數據進行了分析，盛行風向分別為北偏西22.5°、北偏西45°、北偏西67.5°(如圖10所示)，平均極大風速為15.1 m/s，本研究用以上指標作為跳臺風場模擬的輸入條件。

圖9 跳臺山頂右側氣象站B3217平均風速和極大風速

圖10 跳臺山頂右側氣象站B3217風玫瑰圖

1.3 防風裝置設計方案

1.3.1防風裝置層數、孔隙率配置方案

根據賽區氣象風險分析報告和大片區風場模擬分析，跳臺周邊冬季主導風向為西北幾個風向，因此將防護裝置放置于跳臺北側。圖11為防護裝置層數和孔隙率分析方案，圖12為防護裝置位置、尺寸示意圖。在PHOENICS中，防風網的處理方式為：對象類型為Plate，且軟件可以提供對Plate穿孔率的設置。經過試算驗證，Plate這一對象類型能夠對氣流起到阻擋作用。

圖11 防護裝置層數和孔隙率分析方案

圖12 防護裝置位置、尺寸示意圖

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

1.3.2防風裝置形態設計方案

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

表1 防護裝置形態模型演變流程

2 研究結果

2.1 無防護下賽道核心區風場

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

圖13 賽道剖面運動流線側向氣流矢量圖

共計算3種工況，分別對應3個盛行風向：北、西北偏北和西北。表2為3個盛行風向下賽道核心區運動流線側向風速分析結果。可以看出，在室外風速15.1 m/s的邊界條件下，如果不采取任何防風措施，運動員流線側向風速均超過5 m/s。因此必須采取防風裝置削減和重新組織氣流。

表2 無防風裝置下運動流線側向風速分析結果

2.2 賽道核心區防風裝置設計

2.2.1防風裝置層數、孔隙率配置

分別計算圖11中1層、2層和3層防護裝置在孔隙率依次為0.7、0.8和0.9情況下的側向氣流。孔隙率以0.7為基準依次遞增到0.9的原因在于：常用的防風網孔隙率約為0.7；由于賽道防風裝置高度較高，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，所以以0.7為基準遞增。

由于賽道方向(運動方向)與東西向的角度約為11°，因此北風條件對于運動員運動過程的影響最為惡劣，所以采用北風作為最不利條件進行防風裝置層數和孔隙率配置的分析。只要北風條件下防風裝置的層數和孔隙率能夠有效衰減側向氣流，即可認為西北偏北和西北風條件下防風裝置也能夠實現側向氣流的有效衰減。北風條件下，運動流線以下區域側向風速模擬結果如表3所示。可以看出，只有采取孔隙率為0.7的3層防護裝置才能使側向氣流達標。

表3 賽道核心區運動流線以下側向風速模擬結果

提取運動員流線上側向風速進行風速衰減分析，如圖14所示。可以看出：隨著防風裝置層數的增加和孔隙率的降低，側向風速的衰減程度增大。當防風裝置達到3層時，才能實現運動員整個運動流線上側向風速均低于5 m/s，當防風裝置孔隙率不超過0.7時，能夠保障運動員流線上側向風速低于2 m/s。所以后續關于防風裝置形態的設計均以3層孔隙率為0.7的防風裝置為基礎。

圖14 運動流線側向風速衰減分析(北風，風速15 m/s)

以運動流線最高點為例，計算不同防風裝置組合對于側向風的衰減率，結果如表4所示。當采用3層孔隙率為0.7的防護裝置時，運動流線最高點側向氣流衰減率能夠達到87.0%。

表4 運動流線最高點側向氣流衰減率

因此，基于3層孔隙率為0.7的防風裝置配置進行形態設計。

2.2.2防風裝置形態設計

2.2.2.1防風裝置最低高度設計

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

圖15 70 m高曲線防風裝置

多次試算結果表明，當采用70 m高3層孔隙率0.7的曲線防風裝置時，北風、西北風2種工況下運動流線上側向風速達標，如圖16所示。因此，后續的曲線防風形態設計基于70 m高防風裝置進行。

圖16 運動流線以下側向風速矢量圖

2.2.2.2防風裝置曲線形態設計

在上節確定的70 m高均勻曲線防風裝置的基礎上，設計了3種不同形態的非均勻高度曲線防風裝置，且3層防風裝置采取交錯排列的形式(見表1)。為了推進防風裝置形態的進一步精細化設計，對3個盛行風向條件下的防風效果進行了完整的模擬計算。

表5為曲線防風裝置組合作用下賽道剖面運動流線以下的側向風速分析結果。單一形態曲線防風裝置組合無法滿足各風向條件下運動流線上側向風速的衰減，如a-a-a型防風裝置無法保障西北風條件下側向風速衰減，b-b-b型防風裝置無法保障北風條件下側向風速衰減。因此需要采用曲線防風裝置交錯排列形式。此外，為了提升風速衰減率，防風裝置中層采用c型防風裝置。模擬結果顯示，b-c-a型防風裝置能夠實現各風向條件下，運動流線上側向風速的精準控制。

表5 防風裝置防風效果分析

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

表6 低于5 m/s的側向風速區域

表7 賽道剖面全風速云圖

續表

2.2.2.3防風裝置形態修正

由于跳臺北側有路網、建筑群和測試跳臺(如圖17所示)，因此本節基于上節確定的防風裝置曲線形態進行修正，避讓北側障礙。修正后各風向防風性能如表8所示，運動流線以下側向風速均達標。

圖17 主跳臺北側障礙物示意圖

表8 修正后的曲面防風性能分析結果

續表

3 結語

本文針對跳臺滑雪賽道核心區側向風速干預難的問題，基于CFD模擬技術，提出了氣流防控裝置設計方法和流程，在保障運動員運動安全性的同時，兼顧裝置的美學特性。依據研究提出的設計方法和流程，對張家口賽區跳臺滑雪中心進行了氣流防控裝置設計。設計采用3層孔隙率為0.7的曲線形態防風裝置。模擬結果顯示，防風裝置能夠顯著提升賽道核心區剖面上方的低風速區面積，提升整個賽道剖面的氣流穩定性，運動流線最高點側向氣流衰減率達到87%。本研究所提出的方法能夠滿足冬奧跳臺滑雪項目賽道核心區氣候防護的需求。然而，本文研究仍處在模擬設計階段，后續將進一步開展防風裝置結構設計制造，進行風洞試驗驗證，將本研究方法付諸實踐。