基于CFD方法的跳台滑雪运动员飞行阶段姿态控制关键因素研究

【作者】 张琳； 王新；

【机构】 沈阳体育学院；

【摘要】 研究目的:跳台滑雪(Ski jumping)作为冬奥会的重要赛事之一,是一项以双板为基本工具的冬季运动。跳台滑雪的最终成绩是由运动员两次飞行的距离和身体姿态得分相加而成,而距离得分以飞行的米数计算。一个标准的跳台滑雪包括助滑、起飞、飞行和着陆四个阶段。在跳台滑雪的飞行阶段中,运动员身体姿态控制的气动性能是非常重要的,合理调整身体姿态有助于提高其气动性能,并以此延长飞行距离。因此确定运动员在飞行过程中的最佳姿势,有助于降低运动员在短暂飞行过程中的决策难度。此前对V型滑雪姿势的研究大多基于风洞实验直接测量雪板的气动力,然而这种研究方法不便于有效获得飞行阶段的气动力矩和产生的流动结构,亦无法建立雪板气动力与运动员脚踝受力之间的生物力学关系。本文通过CFD的模拟仿真结果为跳台滑雪不同姿态下的气动力和力矩建立数据库,探究跳台滑雪最佳飞行姿态对延长飞行距离的影响,揭示不同身体姿态和雪板角度下,最有效利用空气作用力的控制姿态,分析其最佳控制角度,进而增加飞行距离,为运动员科学的训练提供身体控制方面的定量数据。研究方法:本文基于计算流体动力学(CFD)方法,对标准尺寸滑雪板的125个组合姿态的气动特性和流动结构进行研究。雪板上气动控制方程考虑为不可压缩的3-D Navier-Stokes方程组:▽·v=0;?v/?t+(v·▽)v=f-▽p/ρ+v▽2。其中,v、ρ和p分别是速度矢量,空气密度和静压。f为作用在流体上的外力。控制方程采用基于有限体积的隐式RANS求解器求解,在求解器中采用k-ωSST(剪切应力瞬态)模型,以考虑本文涉及的湍流结构。同时将滑雪板的升阻比设为优化变量,实现在升力约束条件下的计算性能优化。探究在不同姿态下的气动特性,获取高保真CFD数据样本,基于Kriging模型进行预测。为了提高代理模型的预测精度,在优化迭代过程中会进行加点操作。滑雪板姿态由三个相对来流的欧拉角定义,本文分析和总结了三种姿态角α、β和γ(其中α为滑雪板俯仰角度,β为滑雪板偏航角度,γ为滑雪板滚动角度)对气动性能和流动结构的综合影响。研究结果:通过分析得出,当滑雪板被限制在来流平面内时,升阻比峰值在俯仰角α=0°处实现。对于该平面内的偏航角和滚转角(β和γ)的任何组合,阻力(D)主要来自摩擦应力(沿着滑雪板切线方向),而不是压力应力(垂直于滑雪板),这在正α时起主导作用。因此,D在中性α时显著降低,导致L/D升高。然而由于压力有限,升力系数(CL)也低于0.3。因为垂直方向上的升力(相对于重力)的平衡作用是微不足道的,滑雪板几乎以初始跳跃速度进行自由落体运动。根据之前对跳台滑雪的计算模拟,推导出升力和升阻比之间的权衡关系。由此得出,升阻比优化应以最小升力极限为约束条件。也就是说,如果运动员将滑雪板放置在α=30°,偏航和滚转角度在20°和0°左右时,CL达到最大值,其中L/D也接近它的位置(以固定α为例)。这种临界姿态与Virmavirta和Kivekas的研究结果相近,当α=30°时,最优偏航和滚转角度为15°和5°时,以此关键身体姿态在实际训练中进行强化练习,可以有效延长飞行时间。研究β>0°位置的流动结构发现了偏航角(即低压区域的足迹)导致升力增强的基本物理现象,是由滑雪板两侧边缘形成的多涡旋系统引起的,因此在这些涡旋的附着点附近重新塑造局部边缘,以增强涡旋或将涡旋吸引到上表面是有助于提高升力的。因此雪板外侧倾斜角度的具体修正与滑雪姿态密切相关。另外,增加γ会减少α,对提升飞行性能是最不利的。然而当运动员的腿伸展到一个目标偏航角时,γ的增加是不可避免的。因此,我们的研究鼓励运动员向内旋足来补偿γ的增加,提高滑雪板的气动性能,也支持在滑雪板固定器的后部使用弯曲棒,以帮助平衡γ。研究结论:本研究通过大量CFD数值仿真,构建出便捷计算各种俯仰角、偏航角和滚动角组合下滑雪板的气动力和力矩的数据库。提出最佳滑雪姿态(俯仰角,偏航角,和滚动角度分别等于30°,20°,和0°)以延长飞行周期,并讨论了以上结果与跳台滑雪技能训练之间的联系,提出了身体姿态控制的建议。当滑雪板相对于来流形成偏航角时,其上方会产生一个倾斜的多涡系统并在雪板表面诱发产生多个显著的低压区域,由此导致升力出现提升。旋转角的增大不利于产生升力和较为理想的升阻比,因此,运动员在飞行中展开双腿时应鼓励脚内翻。进一步的分析表明,过度增加偏航角直至超出40°对升力的提升影响微乎其微,这表明优化调整偏航角只在一定范围内有效。更多还原