HVAC论文丨冬奥会跳台滑雪项目赛道核心区气流防控装置模拟设计方法

　　摘要
　　跳台滑雪项目赛道核心区气流稳定性对于运动员安全至关重要。为满足跳台气候防护需求，提出了赛道核心区气流防控装置形态模拟设计方法和流程。采用CFD模拟方法，精准控制运动流线上最高侧向风速不超过5 m/s；兼顾装置美学特性，设计不规则曲线形态的气流防控装置，在保障运动员运动安全的同时，提升观众观赛体验。该方法提升了赛道剖面运动流线以下低风速区面积和整体气流稳定性，解决了跳台滑雪核心区风环境干预难的问题。
　　关键词
　　冬奥会 跳台滑雪 计算流体力学模拟 气流防控 防风装置设计
　　作者
　　北京工业大学 李紫微
　　清华大学建筑设计研究院有限公司 张铭琦
　　中共北京市委办公厅 陈洪钟
　　北京智融天象科技有限公司 程鹏飞
　　清华大学 林波荣 曹 彬
　　0   引言
　　2022年冬奥会将在北京和张家口举办，将大力推进我国冰雪运动的全民普及和运动产业发展。长期以来，我国冰雪产业薄弱，与西方国家存在差距，大力发展冬奥科技势在必行。本研究依托于国家重点研发计划项目＂科技冬奥＂专项，旨在打破发达国家在冰雪运动场馆建设和运营技术方面的技术垄断，提升我国冰雪运动项目的国际话语权。
　　跳台滑雪项目是冰雪运动的重要项目，场地设计技术的发展关系到跳台滑雪项目的普及。跳台滑雪项目场地多在寒冷或严寒地区，容易受到冬季冷风冲击，比赛和观赛时气候恶劣。跳台核心区适宜且稳定的风场环境对于运动员安全至关重要。长期以来，由于场外气候风环境不可控、场地核心区气流控制介入难等问题，缺乏跳台滑雪赛道风环境优化的方法。这无法满足跳台滑雪场地建设的技术需求，也不利于冰雪运动项目的公众参与。因此，突破跳台滑雪场地风环境优化控制难的问题，成为当下紧迫需求。
　　跳台滑雪运动过程分为助滑、起跳、飞行、着陆4个阶段。在飞行阶段，运动员将脱离滑道，此时垂直于运动员运动方向的气流将会对运动过程产生不利影响，甚至会存在严重的安全隐患。因此本研究针对跳台滑雪赛道核心区侧向气流防控方法开展研究，以保障运动员的比赛安全。
　　现有的跳台滑雪相关研究所采用的技术手段主要为CFD技术和风洞试验技术，但是研究内容主要聚焦于运动姿势和运动器材的优化。Nørstrud等人采用计算流体力学模拟了不同的人体、滑雪板位置和飞行角度下运动员的表现，并基于数值分析结果提出了一种新的跳台滑雪板设计方案；Müller采用基于风洞试验数据的计算流体力学模型，研究了不同变量和初始条件对飞行距离的影响；Gardan等人基于风洞试验数据开发了一种数值方法，研究了跳台滑雪运动员的姿势和速度对大迎角范围内的空气动力的影响；Murakami等人根据跳台滑雪视频图像分析了飞行姿势对飞行距离的影响；Jung等人采用风洞试验研究了迎角和人体/滑雪板夹角对空气动力的影响；Meile等人通过实验和CFD模拟2种方式研究了跳台滑雪运动员的姿势对空气动力的影响；Schmölzer等人通过从奥运会比赛获取的数据分析了跳台滑雪运动的不同飞行姿势；Virmavirta等人分析了跳台滑雪运动飞行早期阶段的特征；胡齐等人分析了滑雪板夹角对跳台滑雪飞行阶段气动特性的影响；刘贵宝等人研究了多点摄像解析方法在跳台滑雪运动中的应用；刘树明采用空气动力学方法分析了跳台滑雪运动的传统姿势、V形姿势及平V形姿势，以优化飞行姿势和技术。
　　然而，针对跳台滑雪运动的气候防护研究基本空白。气候防护研究在多个领域中均得到了广泛应用，比如：铁路、公路沿线防风固沙，料堆防风固沙，港口粉尘治理，农作物防风，水电站防风工程，等等。相关研究包括：Fang等人采用CFD模拟方法研究了影响农作物防风装置性能的重要指标，如孔隙率、排数、间距、高度、位置、朝向、顶端导流角度等等；王世杰采用CFD模拟方法研究了料堆周围风速矢量场、风压、表面剪切应力，对具有非均匀孔隙率的防风抑尘网进行了优化设计；Ha等人提出了微尺度的三维计算流体动力学模型，来预测山区地形的风环境，并利用测试数据对模型进行了验证。借鉴其他工程领域采用防风装置进行气候防护设计的经验，可为破解跳台滑雪场地风环境优化难的问题提供启示。
　　本研究的主要目标是对跳台滑雪赛道核心区运动流线上侧向气流进行防控，保障运动员的比赛安全。研究提出了一种跳台滑雪赛道核心区气流防控装置形态模拟设计方法和流程。一方面，采用CFD模拟方法精准控制运动流线上的最高侧向风速，保障最高侧向风速不超过5m/s。由于跳台滑雪气候防护研究几乎为空白，国际上对于跳台滑雪运动流线侧向风控制并没有标准，因此本研究采用北京市地方标准DB11/T 825—2015《绿色建筑评价标准》中所规定的室外舒适风速5m/s。另一方面，兼顾气流防控装置的美学特性，提出采用不规则曲线形态的气流防控装置控制跳台滑雪核心区风环境。
　　1   研究方法
　　本研究采用PHOENICS软件进行模拟计算。研究重点针对赛道剖面上方运动流线侧向风速的精准控制，设计赛道核心区气流防控装置的孔隙率、位置和形态组合。气流防控装置的设计流程如图1所示。
　　图1 赛道核心区侧向气流防控装置设计流程
　　1.1 赛道核心区风环境分析模型
　　由于跳台所在山体脉络和跳台本身的形态都会对气流的方向产生重要影响，因此赛道核心区风环境分析模型由两部分组成：跳台所在区域山地地形模型和跳台本体模型。这两部分数据来源不同，因此分别搭建，再合成实体。
　　1.1.1 跳台周边地形模型
　　跳台所在山地地形模型的数据来源为地形高程数据，本研究采用17级高程数据，数据精度可达1m。地形模型搭建过程如图2所示：首先在张家口崇礼地区找到跳台所在区域，将所选择区域导出为地图绘制软件GlobalMapper能够识别的格式，如图2a所示；将该区域数据导入GlobalMapper，导出obj格式模型，如图2b所示；最后将obj格式模型导入三维造型软件Rhino，如图2c所示。
　　图2 跳台所在地形模型搭建流程
　　1.1.2 跳台模型
　　跳台模型来源于项目设计方。图3a所示为跳台原始模型，研究需要将原始模型处理为气流模拟所需要的实体模型。跳台内部结构复杂，并且有大量的曲面结构，为实体模型的生成带来了非常多的困难。研究对跳台所有结构面进行逐面剪切，去除多余的表面，生成跳台实体模型源模型，如图3b所示。
　　图3 跳台模型搭建（源模型来源：跳台项目设计方）
　　1.1.3 跳台风场分析模型
　　将图2的地形实体模型源模型和图3的跳台实体模型源模型合并，将跳台模型和地形模型接口处互相穿插的结构面逐面剪切，去掉多余的结构面。在Rhino中进行模型封闭检查，检查无误后，导出跳台及其周边环境的实体模型，如图4所示。跳台有高、低2条赛道，北面为较高的赛道，受大风冲击也更为明显。因此本研究中所有防风分析都基于北侧赛道进行。
　　图4 跳台及其周边环境实体模型
　　跳台风场模拟采用PHOENICS软件进行，湍流模型为标准K-ε模型。风场计算域尺寸为1.86km 1.15km 0.50km。由于研究重点是控制飞行段运动流线上的侧向气流，所以对跳台所在位置进行局部加密。由于计算域规模大、场地复杂，核心区周边区域网格渐变率过大会导致计算不收敛。但是另一方面，网格过密或者渐变率过低会导致计算域网格总数超出PHOENICS网格计算量的上限。经过多次试算，将跳台所在核心区域的网格尺寸定为5m 5m 5m，周边区域网格渐变率为1.1。网格划分如图5所示。由于跳台两侧设计有曲线形态的侧翼，为了将侧翼对气流的影响纳入，对侧翼进行适度加厚，使得计算过程中气流不会穿透侧翼。依据赛区周边山地风场模拟结果和赛区气象风险分析报告，设定跳台风场模拟边界条件。
　　图5 跳台风场计算网格划分
　　1.2 跳台风场模拟边界条件
　　为确定跳台核心区风场模拟输入边界条件，进行了跳台所在大片区风场模拟，并与赛区气象风险分析报告中的数据进行对比验证。山地风场复杂多变，边界条件的设定不能完全基于崇礼气象站数据。研究利用风场诊断模式CALMET，对跳台所在山地风场进行模拟计算，观察跳台周边的风向风速与大片区的输入风向风速是否有较大差异。由于冬奥会和冬残奥会期间崇礼气象站最大风速值在7 8m/s之间，本研究为大片区风场模拟假定了6m/s和10m/s 2种边界条件。选取崇礼地区内部、跳台周边边长约为15km的范围进行西北风向2个风速条件下的风场模拟，模拟结果如图6所示。图7为跳台周边地形的局部放大示意图，红色框范围即为图6a大片区风场中的红色框范围，跳台位于橙色框范围内。
　　图6 跳台周边山区风场模拟结果（风向：西北）
　　图7 跳台在山地风场中的位置示意图
　　在大片区风场模拟的基础上，进一步聚焦跳台所在矩形范围，精确提取来流风速和风向。如图8所示，在西北风向下，风速为6m/s时，跳台来流风向和主导风向相差1 ，风速为10m/s时，相差2 。跳台来流风向和大片区风场输入边界条件基本一致。
　　图8 跳台周边山地风场模拟结果局部放大（风向：西北）
　　根据《北京2022年冬奥会和冬残奥会赛区气象条件及气象风险分析报告（2018）》（以下简称《报告》），2—3月时段内，对于赛区造成影响的Ⅰ类天气类型为西西伯利亚至蒙古国的冷高压南侵时带来的大风和寒冷天气，这是赛时主要天气类型。《报告》中的实测数据显示，跳台上游有2个主要站点：B3216和B3217。这2个站点的盛行风向为北、西北偏北和西北，与大区域的主导风向一致。这种一致性与前面大片区风场模拟结果所显示出的一致性也能够互相印证。
　　选取跳台山顶右侧气象站B3217的数据（如图9所示）作为边界条件：第一，因为这是来流边界条件；第二，此处来流对于起跳点之后的飞行过程影响最大。《报告》中对比赛同时段，即2月4—20日的风速风向数据进行了分析，盛行风向分别为北偏西22.5 、北偏西45 、北偏西67.5 （如图10所示），平均极大风速为15.1m/s，本研究用以上指标作为跳台风场模拟的输入条件。
　　图9 跳台山顶右侧气象站B3217平均风速和极大风速
　　图10 跳台山顶右侧气象站B3217风玫瑰图
　　1.3 防风装置设计方案
　　1.3.1 防风装置层数、孔隙率配置方案
　　根据赛区气象风险分析报告和大片区风场模拟分析，跳台周边冬季主导风向为西北几个风向，因此将防护装置放置于跳台北侧。图11为防护装置层数和孔隙率分析方案，图12为防护装置位置、尺寸示意图。在PHOENICS中，防风网的处理方式为：对象类型为Plate，且软件可以提供对Plate穿孔率的设置。经过试算验证，Plate这一对象类型能够对气流起到阻挡作用。
　　图11 防护装置层数和孔隙率分析方案
　　图12 防护装置位置、尺寸示意图
　　研究通过赛道剖面运动流线侧向气流确定防护装置层数和孔隙率应有的配置。防风装置东西向长度为800m，防风层之间的层间距为100 m，与跳台本体最近的防护层距离跳台约145m，首层防护层垂直距离最短60m，最长185m。
　　1.3.2 防风装置形态设计方案
　　为了配合跳台的曲线形态，本研究设计采用曲线防风装置，在保障运动安全的前提下，尽可能考虑装置的美学特性，提升观众观赛体验。表1所示为防护装置形态方案演变流程。防风装置共有3种曲线形态：a型、b型和c型。其中：a型防风装置中后端拱起，着重防护北向风对赛道中部，也就是运动流线最高点的直接影响；b型防风装置前端拱起，主要用于防护西北风；c型防风装置全线维持全高度。防风装置组合采用如下命名方式：b-c-a型防风装置，表示距离跳台最近的防风层为b型，中层为c型，外层为a型。
　　2   研究结果
　　2.1 无防护下赛道核心区风场
　　研究无防风装置条件下运动流线上侧向气流大小，从而确定是否需要采取防风装置。图13为某边界条件下，运动流线以下的侧向气流矢量图，图中的红色曲线为运动员整个运动过程的流线。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达标，就可以认为运动员整个运动过程的侧向气流达标。
　　图13 赛道剖面运动流线侧向气流矢量图
　　共计算3种工况，分别对应3个盛行风向：北、西北偏北和西北。表2为3个盛行风向下赛道核心区运动流线侧向风速分析结果。可以看出，在室外风速15.1 m/s的边界条件下，如果不采取任何防风措施，运动员流线侧向风速均超过5m/s。因此必须采取防风装置削减和重新组织气流。
　　2.2 赛道核心区防风装置设计
　　2.2.1 防风装置层数、孔隙率配置
　　分别计算图11中1层、2层和3层防护装置在孔隙率依次为0.7、0.8和0.9情况下的侧向气流。孔隙率以0.7为基准依次递增到0.9的原因在于：常用的防风网孔隙率约为0.7；由于赛道防风装置高度较高，增大材料密度会增加材料自重，从而增加固定成本，也降低了安全系数，所以以0.7为基准递增。
　　由于赛道方向（运动方向）与东西向的角度约为11 ，因此北风条件对于运动员运动过程的影响最为恶劣，所以采用北风作为最不利条件进行防风装置层数和孔隙率配置的分析。只要北风条件下防风装置的层数和孔隙率能够有效衰减侧向气流，即可认为西北偏北和西北风条件下防风装置也能够实现侧向气流的有效衰减。北风条件下，运动流线以下区域侧向风速模拟结果如表3所示。可以看出，只有采取孔隙率为0.7的3层防护装置才能使侧向气流达标。
　　提取运动员流线上侧向风速进行风速衰减分析，如图14所示。可以看出：随着防风装置层数的增加和孔隙率的降低，侧向风速的衰减程度增大。当防风装置达到3层时，才能实现运动员整个运动流线上侧向风速均低于5m/s，当防风装置孔隙率不超过0.7时，能够保障运动员流线上侧向风速低于2m/s。所以后续关于防风装置形态的设计均以3层孔隙率为0.7的防风装置为基础。
　　图14 运动流线侧向风速衰减分析（北风，风速15m/s)
　　以运动流线最高点为例，计算不同防风装置组合对于侧向风的衰减率，结果如表4所示。当采用3层孔隙率为0.7的防护装置时，运动流线最高点侧向气流衰减率能够达到87.0%。
　　因此，基于3层孔隙率为0.7的防风装置配置进行形态设计。
　　2.2.2 防风装置形态设计
　　2.2.2.1 防风装置最低高度设计
　　为了配合跳台本身的曲面造型，同时降低防风装置高度，基于2.2.1节中3层孔隙率0.7的防风装置配置，将图11c的线性防风装置顶端削减成不同位置高度一致的曲线形态，如图15所示。在北风和西北风2种工况（理想工况）下，对不同高度的防风装置进行试算，来确定最低高度。
　　图15 70m高曲线防风装置
　　多次试算结果表明，当采用70m高3层孔隙率0.7的曲线防风装置时，北风、西北风2种工况下运动流线上侧向风速达标，如图16所示。因此，后续的曲线防风形态设计基于70 m高防风装置进行。
　　图16 运动流线以下侧向风速矢量图
　　2.2.2.2 防风装置曲线形态设计
　　在上节确定的70 m高均匀曲线防风装置的基础上，设计了3种不同形态的非均匀高度曲线防风装置，且3层防风装置采取交错排列的形式（见表1）。为了推进防风装置形态的进一步精细化设计，对3个盛行风向条件下的防风效果进行了完整的模拟计算。
　　表5为曲线防风装置组合作用下赛道剖面运动流线以下的侧向风速分析结果。单一形态曲线防风装置组合无法满足各风向条件下运动流线上侧向风速的衰减，如a-a-a型防风装置无法保障西北风条件下侧向风速衰减，b-b-b型防风装置无法保障北风条件下侧向风速衰减。因此需要采用曲线防风装置交错排列形式。此外，为了提升风速衰减率，防风装置中层采用c型防风装置。模拟结果显示，b-c-a型防风装置能够实现各风向条件下，运动流线上侧向风速的精准控制。
　　比较无防护装置和采用b-c-a型防护装置2种情况下赛道剖面低风速区面积（如表6所示）和整个赛场全风速剖面（如表7所示），可以发现，b-c-a型防护装置能够显著提升低风速区覆盖面积，并提升整个赛道上方的气流稳定性，满足冬奥跳台滑雪项目赛道核心区气流防护的要求。
　　2.2.2.3 防风装置形态修正
　　由于跳台北侧有路网、建筑群和测试跳台（如图17所示），因此本节基于上节确定的防风装置曲线形态进行修正，避让北侧障碍。修正后各风向防风性能如表8所示，运动流线以下侧向风速均达标。
　　图17 主跳台北侧障碍物示意图
　　3   结语
　　本文针对跳台滑雪赛道核心区侧向风速干预难的问题，基于CFD模拟技术，提出了气流防控装置设计方法和流程，在保障运动员运动安全性的同时，兼顾装置的美学特性。依据研究提出的设计方法和流程，对张家口赛区跳台滑雪中心进行了气流防控装置设计。设计采用3层孔隙率为0.7的曲线形态防风装置。模拟结果显示，防风装置能够显著提升赛道核心区剖面上方的低风速区面积，提升整个赛道剖面的气流稳定性，运动流线最高点侧向气流衰减率达到87%。本研究所提出的方法能够满足冬奥跳台滑雪项目赛道核心区气候防护的需求。然而，本文研究仍处在模拟设计阶段，后续将进一步开展防风装置结构设计制造，进行风洞试验验证，将本研究方法付诸实践。
　　本文引用格式：李紫微，张铭琦，陈洪钟，等.冬奥会跳台滑雪项目赛道核心区气流防控装置模拟设计方法[J].暖通空调，2021，51（9）：47-57