跳臺滑雪項目飛行段氣流防控裝置設計方法研究

楊陸瑛，李雄彥，張銘琦，曹彬，李軒直，李紫微

0 引言

跳臺滑雪運動是運動員以滑雪板為工具，在曲線形態的跳臺上完成助滑、起跳、飛行和著陸的雪上競技項目。在該運動項目中，穩定的風場對運動員的競技水平和生命安全至關重要。由于跳臺滑雪項目場館多選擇在嚴寒或寒冷地區建設，且大部分選擇在野外或者山區，場地內氣流分布會更加復雜。由于場地氣象條件惡劣、賽道核心區氣流控制介入難等問題，亟需一套針對跳臺滑雪賽道核心區氣流防控的系統性方法。

從跳臺和運動過程的示意性圖片[1]（圖1）中我們可以了解跳臺的曲面形態和運動員運動狀態。根據實際工程，準確來說，大跳臺的高度是136m，標準臺的高度是115m。運動過程分為4 個階段：助滑、起跳、飛行、著陸。在飛行階段中，運動員與賽道表面分離，無法通過自身與賽道之間的摩擦來控制運動方向，這時垂直于運動方向的側向氣流速度會降低運動員身體穩定性，影響競技水平和生命安全。本研究將基于計算流體力學（CFD）模擬技術，設計跳臺滑雪賽道核心區氣流防控裝置，使飛行段側向風速精確控制在安全范圍內，提升比賽和觀賽體驗，保障運動員安全。

1 跳臺滑雪運動過程的4個階段：助滑、起跳、飛行、著陸，引自新華網[1]

當前國內外關于跳臺滑雪項目的研究幾乎全部聚焦于飛行姿態的氣動特性，所采用的技術手段主要為CFD 技術和風洞試驗技術。榮格（Jung）等人[2]采用風洞試驗數據和計算機模擬方法來優化運動員的飛行模式；加丹（Gardan）等人[3]研究了運動員的姿勢對空氣動力的影響；諾斯楚德（N?rstrud）等人[4]采用CFD 模擬技術計算了人體、滑雪板位置和飛行角度配置的運動性能，并提出了一種新的跳臺滑雪板設計方案；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角度之間的相關性，根據運動數據分析不同的飛行姿勢對飛行距離的影響；陳志峰[7]利用CFD 技術研究飛行過程中不同姿勢和不同的迎風方向對空氣動力的影響；胡齊等人[8]分析了滑雪板夾角對飛行階段氣動特性的影響。綜上所述，當前針對跳臺滑雪運動的氣流防控研究基本空白。

國家體育總局的相關研究表明，在飛行階段，當側向風速較小時（小于3m/s），升力、阻力以及俯仰力矩增加緩慢，在風速較大時（大于4.5m/s），升力、阻力以及俯仰力矩開始快速增加，對運動員在空中飛行的穩定控制提出了更高的要求[9]。因此，本研究的主要目標是為賽道核心區的氣流防控設計一套防風裝置，將飛行段的側向氣流速度控制在4.5m/s 的安全范圍內，保障運動員運動安全，提升比賽和觀賽體驗。

1 方法

本研究運用Phoenics 軟件進行模擬計算，重點是精準控制賽道剖面上方運動流線的側向風速，設計賽道運動區氣流防護裝置的位置和形態方案，對防護裝置進行結構計算，形成一整套跳臺滑雪賽道氣流防護裝置的設計流程（圖2）。

2 賽道核心區側向氣流防控裝置設計流程

2 方案設計

首先對防風裝置進行方案設計，包括防風裝置的位置、長度和高度。經過大量調研，選擇防風裝置的主要材料為孔隙率0.5 的柔性材料，裝置其他參數的確定以這個參數為前提條件。

2.1 山地跳臺CFD 模型建立

依據技術路線，研究首先對無防風措施條件下的整個訓練場地的風場進行模擬計算、判斷是否需要防風裝置。訓練基地一共有6 條跳臺（圖3），對該場地的跳臺進行編號，主跳臺是1 號跳臺，往西依次是2～5 號跳臺，主跳臺東側是6 號跳臺。根據淶源當地的風速、風向測試數據，冬季的主要風向為西北方向的5 個朝向：北、西北偏北、西北、西北偏西、西，所有朝向下的最大風速值約為12.2m/s，這是CFD模擬分析的邊界條件。計算域尺寸為1267m×1392m×450m，選擇標準K-ε模型作為湍流模型（圖4）。

3 山地跳臺CFD模型跳臺編號，基于設計方提供的跳臺模型繪制

4 山地跳臺CFD模型計算域

由于計算域規模大，網格過密會導致超過軟件計算的上限。經過反復嘗試，將整個模型的網格尺寸定為10m×10m×10m（圖5、6）。

5 計算網格劃分平面網格示意

6 計算網格劃分剖面網格示意

2.2 無防風裝置條件下風場模擬

1 號和2 號跳臺的高度最高、長度最長，是淶源訓練基地的主要跳臺。5 號跳臺在最西側，最先受到來自西北向風的沖擊。6 號跳臺處于整個場地中比較開闊的位置，所有風向條件都可能會對6 號跳臺產生影響。所以研究選取1 號、2 號、5 號和6 號這4 個跳臺進行數據分析。

研究聚焦于飛行段側向氣流速度大小，來確定是否需要采取防風裝置。圖 7 為某一邊界條件下飛行段側向氣流矢量圖，圖中的紅色曲線為運動員整個運動過程的流線示意圖。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速度達標，就認為可以保證運動員的安全。

7 賽道剖面飛行段側向氣流示意

研究共計算了5 個風向下無防風裝置條件下的風場：北向、西北偏北、西北、西北偏西、西向。得到5 個風向下飛行段側向風速分析結果（表1）。提取每一個風向下運動員飛行段以上距離賽道表面20m以內的側向氣流速度平均值，模擬結果表明，在西風條件下，1 號和2 號跳臺的飛行段氣流速度超標；最西側的5 號跳臺在西北偏北的風向下，飛行段側向平均風速約為4.5m/s；6 號跳臺在西風和北風條件下飛行段側向氣流速度均超標。因此必須采取防風裝置組織氣流。

表1 無防風裝置下飛行段側向風速分析結果，李紫微繪制

針對這些超標工況，通過流線分析找出來流位置（表2）。根據來流位置選擇合適的位置設置防風裝置，從而抑制氣流。如表2 所示，西風條件對于1 號和2 號跳臺飛行段的沖擊較大，并且當氣流沖過山頂之后，會和地面逐漸發生分離，所以在來流方向上的山地最高點設置一條比較長的防風帶。在西北偏北的風向條件下，氣流遇到山體向下的滑坡之后會改變流動方向，對最西側的5 號跳臺產生一定的沖擊。最東側的6 號跳臺由于處在整個場地當中比較開闊的位置，西風和北風對6 號跳臺中段都會產生較強的沖擊。

表2 飛行段側向氣流速度超標工況的流線圖，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 方案設計及性能驗證

依據2.2 中對于不同方向來流的分析結果，研究在賽區內一共設置了4 條防風帶，兩長兩短（圖 8）。其中，兩條較長的防風帶位于場地最外側，高度較高。兩條較短的防風帶處在坡地位置，進一步對來流進行衰減（圖9-11，表3）。為了保證防風結構穩定性，防風帶高度不超過35m，防風裝置采用柔性材料。

8 防風裝置方案設計，基于設計方提供的跳臺模型進行防風網設計

9 防控裝置位置、尺寸示意鳥瞰

表3 防風裝置尺寸表

對每種超標工況下無防風措施和有防風措施的賽道中段側向氣流進行比較，加防風帶之后，側向氣流速度都在4m/s 以下。某些工況下氣流衰減率接近100%，滿足冬奧跳臺滑雪項目賽道核心區氣流防護的要求。因此，防風裝置可以實現對側向氣流的精確控制（表4）。

表4 超標工況飛行段側向氣流衰減率，李紫微繪制

3 結構設計

在完成了防風裝置設計方案之后，還需要對防風裝置進行結構設計，判斷結構方案是否滿足強度要求。研究采用了Dlubal 和3D3S 兩個軟件對支撐防風裝置的鋼構架進行了結構設計，計算指標主要包括鋼構架的極限承載能力驗算（應力比計算）以及正常使用狀態的變形驗算。依據防風裝置高度初步確定鋼構架的高度和截面尺寸，然后考慮風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行構件的截面應力比驗算和結構的位移驗算，對比規范要求若滿足則鋼構架設計合理，若不滿足則調整結構布置及截面尺寸，直到滿足規范設計要求。

3.1 數值風洞模擬及風荷載分析

考慮防風裝置位置和排布方向，依據地形南北走勢分布情況按照不同風向角方向對防風裝置進行了數值風洞模擬分析。限于篇幅，僅列出和防風裝置面呈90°的數值風洞模擬的風速湍流圖（圖12-15）。結合PHOENICS 軟件考慮不同風向角對應的風壓分布，選取最不利情況，獲得1～4 號防風裝置的風壓分布曲線（圖16-19）。

12 1號防風裝置風速湍流圖（m/s）

13 2號防風裝置風速湍流圖（m/s）

14 3號防風裝置風速湍流圖（m/s）

15 4號防風裝置風速湍流圖（m/s）

16 1號防風裝置風壓分布圖（kpa）

17 2號防風裝置風壓分布圖（kpa）

18 3號防風裝置風壓分布圖（kpa）

19 4號防風裝置風壓分布圖（kpa）

按照《荷載規范》[10]算法，等效節點平均靜風荷載Fi 表達式：

式1 中，ρ為空氣密度，v 為i 節點高度平均風速，μ為i 節點的風壓體型系數，A 為i 節點所在區域面積，ω為i 節點處的凈風壓，H 為梯度風高度，z 為i 節點高度，α為地面粗糙度系數。

3.2 鋼構架有限元模型建立

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

20 鋼構架三維示意

根據結構荷載工況信息，防風裝置及附屬構件的自重折算為等效節點集中恒載Pz，端部鋼構架為1.2kN，中間鋼構件為2.4kN。風荷載按照數值風洞模擬結果得到風壓分布，按照最不利風向角（垂直于防風裝置面方向）計算的風壓轉換為等效節點荷載分別為Px 和Py。按照承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行荷載工況設置（表5）。

表5 荷載工況及荷載值

3.3 結構設計驗算結果

依據計算分析模型進行規范檢驗，檢驗結果表明，結構能夠滿足設計計算要求，應力比最大值為0.63。表6 為模型總體應力比分布，圖21-24 為鋼構架的位移分布情況。

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 應力比驗算結果

4 結論

本研究針對跳臺滑雪賽道核心區風速干預難的問題，提出了一套賽道核心區氣流防護裝置的系統性設計方法和流程，能夠實現飛行段側向氣流的精準控制，保障運動員比賽安全。研究以淶源國家跳臺滑雪訓練基地的訓練跳臺為研究對象，采用CFD 模擬方法對氣流防控裝置進行方案設計和結構設計。設計結果顯示，防風裝置方案能夠將所有跳臺飛行段側向氣流速度控制在4m/s 以下，某些工況下防風裝置對側向氣流速度的衰減率接近100%；結構設計方案能滿足風壓的荷載。研究所提出的方法能夠保障運動員的比賽和訓練安全。□