利用风洞的钢架雪车项目运动员滑行姿态减阻优化

2024-01-08徐金成张渊召

体育科学 2023年8期

李波，沈梦，徐金成，胡齐，张渊召，洪平

（1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044；2.国家体育总局冬季运动管理中心，北京 100044；3.结构风工程与城市风环境北京市重点实验室，北京 100044；4.北京体育大学，北京 100084）

钢架雪车是冬奥会正式比赛项目，其主要特点是运动速度快、危险系数高（韩艳丽等，2021）。比赛在专门的赛道中进行，赛道全长在1.3～2.0 km 之间，起终点落差在100～130 m 之间，速度范围在80～120 km/h，最高时速可达147 km/h（李钊等，2019；Francesco et al.，2016）。在正式比赛中，钢架雪车项目不同名次运动员的竞赛成绩相差往往在毫厘之间，如平昌冬奥会男子钢架雪车第1 名与第6 名成绩相差1.2%，女子钢架雪车第1 名与第8 名相差仅为0.6%（武林志等，2019）。钢架雪车运动员完成推撬、上撬启动阶段的技术动作后，将在赛道上滑行，此时只受到自身重力、风阻力及触冰阻力的作用（袁晓毅等，2019；Roberts，2013）。因此，除提高推撬速度、滑行线路控制技术外，减少滑行过程中的阻力也是提高比赛成绩的关键因素（高凡，2017；Bromley，1999）。根据车橇类项目运动表现经验模型，滑行中阻力减少10%，滑行时间减少1%，即成绩提升1%（Brownlie，2020）。在自身重力和触冰阻力相对固定的条件下，减小钢架雪车运动员在滑行中受到的风阻力意义重大。Hastings（2008）研究表明，钢架雪车本身仅占总空气阻力的9%，因此，通过优化运动员的滑行姿态来减少风阻力是提高钢架雪车项目比赛成绩的重要途径。

风洞是按一定要求设计的、具有动力装置的、用于各种气动实验的可控气流管道系统，是开展空气动力学相关研究的主要装置（贺德馨，2006；武岳等，2014）。根据相对运动的原理，风洞中的风速能够模拟运动员高速运动的场景，风洞技术被广泛应用于竞技体育中，包括运动员运动姿态优化、队列优化、低风阻运动装备研发等（Alam et al.，2019；Blocken et al.，2018；Brownlie，2020；D’Auteuil et al.，2012）。在运动姿态减阻优化方面，Motallebi 等（2004）利用风洞测试比较了男子双人雪车运动员姿态的空气动力学特征，将制动员上身前倾角度划分为4 个范围：0、（0，40］、（40，52］、（52，90］，通过比较发现，制动员上身前倾角度在40°～52°时空气阻力最小。Leirdal 等（2006）在风洞中测量了越野滑雪运动员身体位置“从高到低”所受的阻力，发现在30 s 的极量强度测试中，较低的躯干角度有利于减少阻力，与直立推撑姿势相比，躯干几乎水平时滑雪运动员的阻力降低30%。Brownlie（2020）通过风洞研究雪橇运动员姿势变化产生的阻力变化，结果显示当运动员“耸肩”以减小座位中肩部的宽度以及肩颈之间的间隙时，减阻程度最大，可减少8.7%的阻力。Elfmark等（2019，2021a，2021b）开展了高山滑雪、跳台滑雪、速度滑冰等项目的风洞测试，对重点运动员的运动姿态进行减阻优化，而这些测试正是冰雪运动强国挪威备战北京2022 年冬奥会“Aerodynamic 2022”计划的重要部分。风洞技术在我国主要应用于航空航天、高速铁路、土木工程（贺德馨，2006；李波等，2021；Li et al.，2022），在北京冬奥会备战时开始应用于竞技体育中（胡齐等，2018，2020；李波等，2022a，2022b； Li，2023）。

研究采用风洞测试的方法，对我国钢架雪车国家集训队的8 名运动员进行滑行姿态减阻优化，以此减小运动员在滑行受到的空气阻力，提升比赛成绩，利用科技手段，助力冰雪奥运。

1 风洞测试系统

本次风洞测试在二七国家冰雪运动训练科研基地（以下简称“二七基地”）的体育综合风洞（图1）进行。该风洞是一座回流式、带驻室的开敞实验段低速风洞，实验段高3.0 m、宽2.5 m、长8.0 m（横截面按喷口尺寸），最大可控风速为42 m/s，经第三方校验，风洞的流场品质优秀。

图1 二七基地体育综合风洞Figure 1.Wind Tunnel in Erqi Base

二七基地体育综合风洞的实验段设置有专用测试平台（图2），平台顶面与入口喷嘴的下边缘平齐。测试平台上喷嘴范围内为测试区，运动员在该区域进行风洞测试和训练，喷嘴范围之外为辅助区，教练员、科研人员辅助测试与训练。

图2 二七基地体育综合风洞的实验段Figure 2.Test Section of Wind Tunnel in Erqi Base

测试平台测试区前段固定有应变式测力天平，测试平台后段还可以增加测力天平，开展多人队列的风洞测试和训练。本次测试中，通过测试区前段的测力天平对每个工况下运动员受到的风阻力进行采集，测力天平阻力方向的量程为400 N，精度为0.2%。为了保证测量精度，试验前、试验后还需要通过专门的标定装置对测力天平进行校准。

为了避免风洞测试平台底板边界层对测试结果的影响，需要将测试装置抬高至边界层之上。另外，为了增强实战性，还需要对北京冬奥会延庆赛区国家雪车雪橇中心的赛道进行模拟。综合考虑二七基地体育综合风洞边界层厚度、天平量程、钢架雪车连接方式及其装置对流场的影响后，设计的钢架雪车测试装置如图3 所示。

图3 测试装置Figure 3.Test Devices

测试装置长4 000 mm，宽1 500 mm，高800 mm，主要包括钢架雪车连接件（I）、导流板（Ⅱ）、赛道侧壁（Ⅲ）几个部分。钢架雪车连接件及导流板距风洞测试平台地面200 mm，连接件长1 600 mm，宽600 mm，位于装置中心，与导流板之间间隙为10 mm，利用经气动设计的楔形块（Ⅳ）将钢架雪车固定在连接件上，导流板兼具模拟赛道底面的作用。连接件（I）通过可调节高度的小立柱与风洞实验段的测力天平相连。此外，还设计有头垫（V）、脚垫（Ⅵ），帮助运动员在风洞测试中保持身体姿态。

在测试过程中，通过投影仪将事先约定好的控制指令及测试数据实时投射在测试运动员的前方（图4），上述信息同时显示在风洞实验段驻室的侧墙上，供教练员和科研团队实时获得测试数据。

图4 信息实时交互窗口Figure 4.Real-Time Information Interaction Window

在二七基地体育综合风洞的实验段，布置有侧视、前视、后视及俯视等4 个监控摄像头，测试平台栏杆上还可以增设机位，对教练员、科研人员关心的部位进行监控。在本次测试中，还增设了头、肩部的监控机位，利用5 个机位全程记录运动员在测试过程中姿态的变化。

2 姿态减阻优化测试方法

运动员的运动姿态与运动生物力学、技术习惯、风阻力都密切相关，姿态减阻优化需要兼顾这些因素。因此，进行姿态减阻优化首先需要确定风阻力影响大的阶段，然后根据分解动作，选定一个或几个关键姿态，在不影响技术发挥的条件下，按运动速度区间进行优化。

对于钢架雪车项目，滑行阶段风阻力对成绩的影响最大。根据项目特点，选定基准姿态（指运动员滑行时的“零线”姿态，调整动作完成后，运动员应尽可能恢复到这个姿态）进行滑行姿态优化。结合运动员的技术动作特点，可以分别选取头部、肩部、手部、腿部、脚部、身体位置、身体高度等进行姿态调整，根据风洞测试的结果，选择风阻力小的姿态进行姿态组合，以此对滑行阶段的姿态进行减阻优化。

根据上述思路，钢架雪车项目滑行阶段的姿态减阻优化风洞测试分3 步进行。第1 步，在25 m/s 和30 m/s 风速下，测试运动员基准姿态风阻力的大小；第2 步，在25 m/s和30 m/s 风速下，进行单个姿态调整的风阻测试（表1），为了保证测试结果的可靠性，每组测试完成后，运动员休息调整2～3 min；第3 步，根据分组测试结果，选择阻力最小的各个姿态进行组合，在25 m/s 和30 m/s 风速下，测试并验证优化姿态的减阻效果。

表1 测试姿态Table 1 Test Positions

测试中，每个工况数据采样时长为15 s，通过广义平稳检验准则，确定不少于10 s 的有效数据区间，有效区间内的均值即为测得的风阻力Fd。对于钢架雪车项目，运动员的基准姿态相对容易保持，广义平稳条件一般均满足。但对于其他项目，如速度滑冰、单板滑雪，在进行风洞测试时，还需要设计专门的辅助支撑装置，帮助运动员保持测试姿态。

此外，利用风洞测试得到优化姿态后，运动员除开展优化姿态的专项训练外，还需要对运动装备进行改进，用以协助运动员在比赛中保持优化姿态。对于钢架雪车项目，需要根据优化姿态对车鞍进行个性化处理。

3 测试结果

测试于2020 年1 月28—31 日进行，每天测试2 名运动员，每名运动员测试60 组工况。表2 为钢架雪车国家集训队8 名运动员在25 m/s、30 m/s 风速下基准姿态的风阻力Fd列表。

表2 基准姿态风阻力Table 2 Drag of Zero-Line Position N

如表2 所示，3 名女运动员基准姿态的风阻力分别为18.0、17.2 和16.7 N，彼此相差较小，仅为7.78%；而5 名男运动员基准姿态的风阻力分别为20.3、16.7、15.4、21.3 和20.6 N，数据相差较大，达到38.31%。女运动员中，F3 基准姿态的风阻力最小；男运动员中，M6 基准姿态的风阻力最小。值得注意的是，8 名运动员身高基本相当，男运动员M5 与M6 的成绩最好，其基准姿态的风阻力远低于其他3 名男运动员，甚至优于女运动员，提示控制滑行阶段的风阻力与提高竞技成绩有关，且滑行姿态的风阻力大小与性别关系不明显。

M5 身体不同部位变化对风阻力的影响如表3 所示。可以看出，对M5 而言，在25 m/s 滑行速度下，肩部、腿部姿态需要改进，身体相对于撬的位置需要后移。根据风洞测试数据，M5 身体后移并调整肩部、腿部姿态进行姿态优化后，优化姿态（图5）下的风阻力仅为12.2 N，姿态的优化减阻率达到了10.30%。

表3 姿态变化对风阻力的影响（速度=25 m/s）Table 3 Effect of Position on Drag（ Velocity=25 m/s）

图5 优化姿态（M5）Figure 5.Optimal Position（ M5）

结合风洞测试结果，可以从以下3 个方面分析钢架雪车项目运动员滑行姿态（图5）的空气动力学性能：

首先是上表面，在滑行过程中，运动员的头和臀是2 个突出的高点，将头和臀控制在一条水平线上，可以使身体上方气流的主流方向保持水平，减小颈部和背部下凹带来的不利影响。运动员M5 的基准姿态中，头和臀的高度是一致的，因此，头部的变化使得阻力变大。

其次是迎风面，运动员身体略后移后，肩和撬前缘位置错开，形成台阶状，气流流经撬前缘时发生流动分离，肩后移后，正好处于撬前缘的分离气流之中，作用在肩部迎风面的正压减小，从而使得阻力减小。此外，运动员M5 肩部后压后，肩头趋于圆弧状，进一步减小了迎风面的正压。

最后是背风面，运动员腿部、脚部并拢有利于气流后驻点后移，减小背风面的风吸力，从而使得阻力减小。运动员M5 的基准姿态中，腿部并拢不够，改进后阻力值降低。

需要特别指出的是，每名运动员的身体条件、技术动作特点均不一样，空气动力学方面的一般性规律虽然为姿态优化提供调整方向，但对于高水平运动员，更多的是经过精细化的风洞测试，根据定量化的数据找出特殊细节进行优化调整，给出个性化姿态优化减阻方案。

如表4 所示，8 名运动员应用风洞姿态优化减阻技术后，在滑行阶段受到的风阻力均得到了不同程度的降低。在25、30 m/s 滑行速度下，8 名运动员的平均减阻率分别为11.81%与11.75%，这说明了利用风洞技术进行姿态减阻优化的有效性。值得注意的是，F3 在3 名女运动员中基准姿态的风阻力最小，但优化姿态的减阻率并不是最小；5 名男运动员中，M5、M6 虽然基准姿态的风阻力远低于其他3 名运动员，但优化姿态的平均减阻率仍达到10.50%与7.70%，而基准姿态风阻力最大的M8，优化姿态减阻率并不是最大，这说明姿态减阻优化的减阻率与基准姿态风阻力大小的关联性不高，优秀运动员的基准姿态风阻低，但利用风洞进行姿态减阻优化，仍能够较大幅度的减阻。钢架雪车项目顶尖运动员的成绩差距非常小，因此，优秀运动员利用风洞进行滑行阶段的姿态减阻优化十分必要。