侧风下风障对滑雪跳台比赛风环境的影响研究 (1).pdf

文章编号：1000-4750(2023)Suppl-0074-07侧风下风障对滑雪跳台比赛风环境的影响研究黄方方1，贾娅娅1,2,3，刘庆宽1,2,3，刘念1(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北，石家庄050043；2.石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，河北，石家庄050043；3.河北省风工程和风能利用工程技术创新中心，河北，石家庄050043)摘要：滑雪跳台与桥梁结构类似，风障也可以为跳台滑雪运动创造一个低速的比赛风环境。采用数值模拟的方法，研究了风障透风率对滑雪跳台挡风效果的影响，系统分析了涡旋结构、无量纲风速、风环境影响系数和湍流度随风障透风率的变化特性。结果表明：侧风作用下，风障的存在明显改变了滑雪道上空的风场结构，但同时在运动员跳跃高度处会产生较大的竖向风速分量，显著干扰比赛的公正性；滑雪道上空的风环境影响系数随风障透风率的增加呈减小后增大的趋势，其中透风率为 10%20%时风障挡风效果最优，其挡风效率高达79%97%，同时也可以有效降低运动员跳跃高度处的竖向风速分量，但风场的湍流度会明显增大；考虑滑雪跳台主体结构对风荷载的作用较不敏感，应优选设置 10%20%透风率的风障。关键词：滑雪跳台；风环境；风障；透风率；侧风；数值模拟中图分类号：TS952.6文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.S045STUDYONTHEEFFECTOFWINDBREAKSONCOMPETITIONWINDENVIRONMENTOFTHESNOWBOARDINGPLATFORMUNDERCROSSWINDHUANGFang-fang1,JIAYa-ya1,2,3,LIUQing-kuan1,2,3,LIUNian1(1.SchoolOfCivilEngineering,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang,Hebei050043,China;2.StateKeyLaboratoryofMechanicalBehaviorandSystemofTrafficEngineeringStructures,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang,Hebei050043,China;3.InnovationCenterforWindEngineeringandWindEnergyTechnologyofHebeiProvince,Shijiazhuang,Hebei050043,China)Abstract:Since the snowboarding platform is similar to the bridge structure,windbreaks can also make acompetitionwindenvironmentwithlowwindspeedfortheskijump.Theeffectofthewindbreakporositiesonthewindproofperformanceisanalyzedbymeansofnumericalcalculation.Thepapersystemicallyanalyzesthelaws of vortex structure,dimensionless velocity,influence coefficient of wind environment and turbulenceintensity varying with windbreak porosity.The results show that the windbreak can improve the wind fieldstructureontheskislopeeffectively,butitcanalsocausesignificantverticalvelocitycomponentonthejumpingheightofathlete,whichwillaffectthefairnessofthecompetition.Theinfluencecoefficientofwindenvironmentovertheskislopefirstdecreaseandthenincreasewiththeincreaseoftheporosityofwindbreak.Windbreakswiththeporositiesof10%20%havethebesteffectonpreventingcrosswind,theirwindproofefficiencyareabout79%97%,whichcanalsoeffectivelyreducetheverticalvelocitycomponentonthejumpingheightofathlete.However,theturbulenceintensitywillbeincreasedsignificantlyatthesametime.Thewindbreakswiththeporositiesof10%20%arepreferredconsideringthatthesnowboardingplatformisinsensitivetotheeffectofwindloads.Keywords:snowboardingplatform;windenvironment;windbreak;porosity;crosswind;numericalsimulation收稿日期：2022-06-19；修改日期：2023-01-11基金项目：河北省自然科学基金项目(E2021210110)；国家自然科学基金项目(52208495)；河北省高端人才项目(冀办 201963 号)；科技冬奥专项项目(21475402D)通讯作者：贾娅娅(1987)，女，河北人，讲师，博士，主要从事土木建筑结构抗风、风力发电机组气动性能研究(E-mail:jia_).作者简介：黄方方(1997)，女，河南人，硕士生，主要从事东奥场地风场研究(E-mail:);刘庆宽(1971)，男，河北人，教授，博士，主要从事结构和桥梁风致振动与控制研究(E-mail:);刘念(1997)，男，河南人，硕士生，主要从事风力发电机组气动性能研究(E-mail:liu_).第40卷增刊Vol.40Suppl工程力学2023 年 6月June2023ENGINEERINGMECHANICS74单板滑雪项目自 1998 年2018 年冬奥会一直未曾间断，发展到现在共 5 个项目，分别为 U 型池、平行大回转、障碍追逐、坡面障碍和大跳台1。其中跳台单板滑雪项目是指运动员借助滑雪板沿着跳台的倾斜助滑道下滑，借助速度和弹跳力，使身体跃入空中，表演各种花式技巧。由于跳跃高度大，在比赛过程中场地风场将对跳台滑雪运动产生显著影响，进而影响赛事的顺利进行，因此跳台滑雪是体育项目中对场地风环境要求最为苛刻的赛事之一2。滑雪跳台与桥梁结构类似，在跳台两侧设置风障也可以有效降低滑雪道上空的风速，为跳台滑雪项目创造一个低速的比赛风环境，以保证比赛的顺利进行。以往关于风障的研究主要是针对桥梁，桥梁风障是设置于桥梁两侧的附属结构，可以降低桥面风速，防止车辆侧翻，保证车辆在侧风下的行车安全34。AVILA 等5采用 PIV 流场显示技术详细研究了不同来流攻角下设置风障的铁路桥梁桥面风场特性；李永乐、胡传新、ZHOU 等68分析了设置风障对桥梁及车辆气动荷载的影响及内在机理；风障的挡风效果与风障透风率、高度等风障参数密切相关910，项超群、CHU、何玮等1114通过风洞试验和数值模拟的方法，研究了侧风作用下不同风障参数对车-桥系统气动性能的影响，得到了有利于行车安全的最优风障高度和最优风障透风率。但滑雪跳台的挡风要求较桥梁更为苛刻，不仅需要降低滑雪道上空的风速大小，而且对运动员跳跃高度处的风向有严格要求，这些要求均与风障透风率直接相关。基于上述情况，本文采用数值模拟方法，研究由低到高不同透风率的风障对滑雪跳台的挡风效果，得到最佳的跳台风障设置方案，并为跳台滑雪项目的比赛安排提供参考。1计算方法以某设计完成的单板滑雪大跳台为研究背景，其滑雪道模型如图 1 所示，滑雪道中间的曲线为运动员平均跳跃高度线，通过在滑雪道两侧设置风障来改善比赛风环境。由于此单板滑雪大跳台外观设计已完成，风障的倾角和高度固定。选取图 1 中两个典型位置截面进行数值计算，将三维跳台转化为二维计算模型来研究风障透风率对其挡风性能的影响，其中截面-1 为运动员跃至空中最高位置，截面-2 为跳台助滑道中间位置。侧向来流风方向如图 2 所示，为与跳台走向正交的水平方向。虽然风障造型较多，但风障的孔隙形式对其挡风性能的影响较小15，因此将风障简化为分布均匀的横向障条，透风率(风障开孔面积与总面积之比，又称孔隙率)分别为 0%(不透风)、5%、10%、20%、30%、40%和 60%。截面-2跳跃高度线截面-1图1跳台滑雪道的三维模型Fig.1Thethree-dimensionalmodelofthesnowboarding侧向来流风方向YX截面-1BCA运动员跳跃高度(a)截面-1 侧向来流风方向YX截面-2BCA运动员跳跃高度(b)截面-2 图2两个计算截面示意图Fig.2Illustrationofthetwosectionforcalculation计算域及边界条件如图 3 所示，跳台模型距入口边界的距离为 7 倍模型宽度，距出口边界的距离为模型宽的 11 倍，计算域高度为跳台模型高度的 14 倍。采用 ICEMCFD 将计算域进行拓扑分块划分结构网格，为保证计算精度，对跳台模型附近网格进行加密。经过疏密不同网格的反复试算，综合考虑计算精度及计算效率两方面，最终得到的计算域网格模型如图 4 所示。速度入口自由滑移壁面出流边界条件自由滑移壁面无滑移壁面图3计算域及边界条件设置Fig.3Computationaldomainandboundaryconditions工程力学75图4计算域网格划分Fig.4GridofthecomputationaldomainCFD 数值计算采用大型通用计算流体动力学软件 FLUENT。压力和速度的耦合采用 SIMPLE算法，控制方程采用分离式方法求解。选用 RNGk-湍流模型，该模型是目前两方程模型中适用范围广、精度高，且比较可靠的湍流模型。控制方程的对流项采用二阶迎风格式，计算收敛准则取残差值为 1105。2风障对滑雪跳台比赛风环境的影响通过数值计算得到侧风作用下 7 种不同透风率风障对滑雪道上空风场分布的影响。为直观起见，选取图 2 中 A、B、C 三个典型位置进行分析，其中 B 为滑雪道横截面的中间位置，A 和C 分别为滑雪道横截面的 1/4 和 3/4 位置。2.1不透风风障的影响u图 5 和图 6 分别显示了两侧设置不透风风障时滑雪道上空的无量纲风速比分布云图和流线图，其中 U 为侧向来流风速，为测点处的平均风速。由图可得，侧风作用下，风障的存在明显改变了滑雪道上空的风场结构，气流经过风障会在风障顶部发生分离，一部分上抬形成绕流风，一部分在风障背风侧形成大的顺时针回流涡，由于两侧风障的存在，回流涡被锁定在滑雪道上空，形成低风速的遮蔽区域，有效降低了滑雪道上空的风场速度。图 7 详细给出了 A、B、C 三个典型位置处风速比沿高度的分布，图中 H 为运动员平均跳跃高度，h 为测点距滑雪面高度。A、B、C 三个典型位置处风速沿高度分布规律基本一致，由于滑雪道上空回流涡的影响，在低空区域空气逆来流方向运动，造成风速比沿高度呈先减小后增大的趋势，在运动员跳远高度附近，风速最小，降低至 0.1U。定义风环境影响系数来量化比较风障的挡风性能，公式如下：=UesU(1)式中：U 为来流风速；Ues为等效风速，公式如下：U2es=1zcwzc