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=1zcwzc0u(z)2dz(2)u(z)式中：为跳台滑雪道上空 z 高度处的平均风速；zc为运动员平均跳跃高度。风障挡风效率 定义为：=1(3)计算得到滑雪道不同位置处的风环境影响系数 如图 8 所示，风环境影响系数 沿顺风向呈逐渐增大的趋势，但在滑雪道中间位置处，两个截面的风环境影响系数均在 0.3 以下，即挡风效率可达到 70%以上。值得注意的是，当风障不透风时，滑雪道上空顺时针回流涡的存在造成在运动员跳跃高度处产生了明显的竖向风速分量，图 9 给出了滑雪道上空不同高度处竖向风速比极值的分布，在运动员跳跃高度处竖向风速极值可达到 0.12U。一般而V/VrefV/Vref跳跃高度线CBA跳跃高度线(a)截面-1(b)截面-2CBA图5设置不透风风障时滑雪道上空风速比云图Fig.5Velocityrationephogramsovertheskislopewithnon-porouswindbreaksABCABC(a)截面-1(b)截面-2 图6设置不透风风障时滑雪道上空流线图Fig.6Streamlineoftheflowfieldovertheskislopewithnon-porouswindbreaks0.00.51.01.52.00.00.10.20.30.40.50.6截面-1:A截面-1:B截面-1:C截面-2:A截面-2:B截面-2:C风速比u/U高度比h/H图7设置不透风风障时滑雪道上空风速比分布Fig.7Distributionofvelocityratioovertheskislopewithnon-porouswindbreaks76工程力学言，此向上风速分量对跳台滑雪运动是有利的，可以使运动员跳得更高，在空中停留的时间更久，进而取得更好的成绩。但此向上风速分量与来流风速密切相关，因此在比赛时间内来流风的变化将会显著影响跳台滑雪运动的比赛成绩，进而影响比赛公正性。因此，在滑雪道两侧需要设置具有一定透风率的风障，用以降低或消除运动员跳跃高度处的竖向风速分量，以保证比赛成绩的公平性。ABC0.120.160.200.240.280.32位置截面-1截面-2风环境影响系数图8设置不透风风障时的风环境影响系数Fig.8Theinfluencecoefficientofwindenvironmentwithnon-porouswindbreaks0.00.51.01.52.00.100.050.000.050.100.15竖向风速比(uy/U)ext截面-1截面-2高度比h/H图9设置不透风风障时的竖向风速比极值Fig.9Extremevalueofverticalvelocityratioovertheskislopewithnon-porouswindbreaks2.2风障透风率的影响在滑雪道两侧布置 5%以上透风率的风障时，滑雪跳台附近绕流场流线如图 10 所示。来流风经过具有一定透风率的风障时，一部分通过风障孔隙形成渗流风，一部分在风障顶部分离形成绕流风和锁定在滑雪道上的大尺度回流涡。风障透风率对滑雪道上空的流场分布影响显著，随着透风率的增加，滑雪道上回流涡高度逐渐降低，在运动员跳远高度处，风速方向逐渐趋于水平。10%透风率20%透风率40%透风率10%透风率20%透风率40%透风率30%透风率30%透风率60%透风率A B CA B CA B CA B CA B CA B CA B CA B CAB CAB CABCABC60%透风率5%透风率5%透风率(a)截面-1(b)截面-2图10布置不同透风率风障时滑雪道上空流线图Fig.10Streamlineoftheflowfieldovertheskislopewithdifferentporositieswindbreaks为了进一步研究风障透风率对流场结构的影响，图 11 分别显示了不同透风率风障影响下两截面处风速比随高度的变化规律。由图可知，不同透风率下滑雪道上空风速随高度的变化趋势较为接近，大致可分为 4 部分：低空回流区、风速回升区、平台区和风障屏蔽外区域。由于滑雪道上空回流涡的存在，在低空区域存在回流，随着风障透风率的增加，低空回流区对应的高度范围逐渐减小；而后风速经历短暂的回升，在一定高度范围内保持较为平缓的状态，风速随高度的变化曲线出现一个平台，进入平台区。平台对应的高度范围包络了运动员的活动区域，因此平台风速可以反映风障对跳台风环境的挡风效果。随着透风率的增加，平台风速呈先减小后增大的变化趋势，当风障透风率为 10%20%时，平台风速最小，对应的平均风速低至 0.05U0.36U。随着高度的继续增加，风障的挡风功能逐渐失效，进入屏蔽外区域，风障的屏蔽高度随透风率的增加而降低。工程力学77(a)截面-1(b)截面-20102030透风率/(%)高度比h/H4050600.00.51.01.52.0高度比h/H风速比U/U0.00.51.01.52.00.00.20.40.60.81.01.20102030透风率/(%)405060风速比U/U0.00.20.40.60.81.01.2ABCABC图11风速比分布Fig.11Distributionofvelocityratio图 12 具体显示了滑雪道不同位置处的风环境影响系数，当透风率20%时，风环境影响系数沿顺风向呈逐渐增大的趋势；当透风率20%时，风环境影响系数 沿顺风向呈减小趋势。与图 11中的风速比曲线相对应，风环境影响系数 随透风率的增加并非呈单向递减趋势，而是呈先减小后增大的变化趋势。当风障透风率为 5%30%时，其挡风效果均优于不透风风障，其中 10%20%透风率时风环境影响系数最低，低至 0.030.21，挡风效果最优，挡风效率达到 79%97%。虽然风障透风率越大，在运动员跳远高度处风速方向越趋于水平，但滑雪道上空风速也同时随透风率的增加而增大，因此，运动员跳远高度处的竖向风速分量与风障透风率并非线型关系，如图 13 所示，竖向风速分量随透风率增加也呈先减小后增大的趋势。其中，风障透风率为 10%20%时可以有效降低运动员跳跃高度处的竖向风速分量，竖向风速极值较不透风风障降低了 22.3%51.1%。图 14 显示了滑雪道上空风场湍流度极大值沿高度的分布，由于滑雪道上空大尺度旋涡的影ABC0.00.10.20.30.40.50.60.70.8风环境影响系数位置不透风5%10%20%30%40%不透风5%10%20%30%60%40%60%(a)截面-1ABC0.00.10.20.30.40.50.60.7风环境影响系数位置(b)截面-2图12风环境影响系数Fig.12Theinfluencecoefficientofwindenvironment0.00.51.01.52.00.100.050.000.050.100.150.200.25竖向风速比(uy/U)ext(a)截面-10.00.51.01.52.00.050.000.050.10竖向风速比(uy/U)ext不透风5%透风率10%透风率20%透风率30%透风率40%透风率60%透风率(b)截面-2 不透风5%透风率10%透风率20%透风率30%透风率40%透风率60%透风率高度比h/H高度比h/H图13竖向风速比极值分布Fig.13Extremevalueofverticalvelocityratio78工程力学响，气流扰动增强，旋涡中心附近湍流度达到峰值。其中布置 0%20%小透风率风障时滑雪道上空风场湍流度较大，风障对湍流度的影响高度也较大；随着透风率的增加，湍流度降低，风障对湍流度的影响高度下降。0.00.51.01.52.00.00.10.20.30.40.50.6湍流度Imax(a)截面-10.00.51.01.52.00.00.10.20.30.40.50.6湍流度Imax不透风5%10%20%30%40%60%不透风5%10%20%30%40%60%(b)截面-2高度比h/H高度比h/H图14湍流度极大值Fig.14Maximumvalueoftheturbulenceintensity综上所述，10%20%小透风率的风障对滑雪跳台的挡风效果更好，风环境影响系数 低至0.030.21，可以有效改善滑雪道上空的比赛风环境。但小透风率风障改善比赛风环境的同时，明显增加了风场的湍流度，使作用在滑雪跳台和风障上的脉动荷载增大，影响风障及跳台结构的气动稳定性。但由于滑雪跳台跨度较小，跳台主体结构对风荷载的作用较不敏感。因此，综合考虑风障对风环境和结构稳定性的影响，对于滑雪跳台而言，应优先选择 10%20%透风率的风障，可有效改善比赛风环境，有利于比赛的顺利进行。3结论本文以实际某单板滑雪大跳台为研究背景，采用数值模拟的方法，研究了侧风作用下风障透风率对滑雪跳台比赛风环境的影响，得到如下结论：(1)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，大尺度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。(2)当风障不透风时，在滑雪道中间位置处，挡风效率虽然可达到 70%以上，但同时会在运动员跳跃高度处产生明显的竖向风速分量，对跳台滑雪运动的比赛成绩影响显著，进而干扰比赛的公正性。(3)风障透风率对滑雪道上空的流场结构影响显著，随着透风率的增加，锁定在滑雪道上空的回流涡高度逐渐降低，在运动员跳远高度处风速方向逐渐趋于水平。但运动员跳远高度处的竖向风速分量与风障透风率并非线型关系，而是随透风率增加呈先减小后增大的趋势。其中，风障透风率为 10%20%时可以有效降低运动员跳跃高度处的竖向风速分量，竖向风速极值较不透风风障降低了 22.3%51.1%。(4)滑雪道上空的风环境影响系数随透风率增加呈先减小后增大的趋势，其中 10%20%透风率最优，挡风效率达到 79%97%，但同时风场的湍流度会明显增大。由于滑雪跳台主体结构对风荷载的作用较不敏感，因此优先选择 10%20%透风率的风障，有利于比赛的顺利进行。参考文献：包大鹏.单板滑雪运动渊源演变与文化内涵探析J.哈尔滨体育学院学报,2019,37(5):2329.BAO Dapeng.The origin,evolution and culturalconnotationofsnowboardingJ.JournalofHarbinSportUniversity,2019,37(5):2329.(inChinese)1冬奥来也原来它和气象关系这么大N.中国气象报,2018-02-09(004).The Winter Olympics also turned out to be so muchrelatedtometeorologyN.ChinaMeteorologicalNews,2018-02-09(004).(inChinese)2李波,杨庆山,冯少华.防风栅对高速列车挡风作用的数值模拟J.工程力学,2015,32(12):249256.LI Bo,YANG Qingshan,FENG Shaohua.Windbreakperformanceofwindfenceonhighspeedtrainbasedonnumerical simulationJ.Engineering Mechanics,2015,32(12):249256.(inChinese)3韩艳,李凯,陈浩,等.桥面典型车辆气动特性及车辆间挡风效应的数值模拟研究J.工程力学,2018,35(4):124134,185.HAN Yan,LI Kai,CHEN Hao,et al.Numericalsimulation on aerodynamic characteristics of typicalvehiclesonbridgesandthewindshieldeffectsbetween4工程力学79vehiclesJ.EngineeringMechanics,2018,35(4):124134,185.(inChinese)AVILA-SANCHEZ S,LOPEZ-GARCIA O,CUERVAA,etal.Characterisationofcross-flowabovearailwaybridge equipped with solid windbreaksJ.EngineeringStructures,2016,126:133146.5李永乐,苏洋,武兵,等.风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的综合影响研究J.振动与冲击,2016,35(12):141146,159.LI Yongle,SU Yang,WU Bing,et al.Comprehensiveeffectofwindscreensonwind-inducedvibrationoflong-spantrussbridgeandwindloadsofvehiclesJ.JournalofVibrationandShock,2016,35(12):141146,159.(inChinese)6胡传新,周志勇,姜保宋.气动措施对双主跨斜拉桥静风稳定影响研究J.振动工程学报,2020,33(2):304313.HUChuanxin,ZHOUZhiyong,JIANGBaosong.Effectsofaerodynamicmeasurementsonaerostaticinstabilityofacable-stayedbridgewithdoublemainspansJ.Journalof Vibration Engineering,2020,33(2):304 313.(inChinese)7ZHOULL,LIANGXF,YANGMZ,etal.Optimizationofbridgewindbreakonhigh-speedrailwaythroughstrongwind areaJ.Advanced Materials Research,2012,452/453:15181521.8RAINE J K,STEVENSON D C.Wind protection bymodelfencesinasimulatedatmosphericboundarylayerJ.Journal of Wind Engineering and IndustrialAerodynamics,1977,2(2):159180.9SANTIAGO J L,MARTN F,CUERVA A,et al.ExperimentalandnumericalstudyofwindflowbehindwindbreaksJ.AtmosphericEnvironment,2007,41(30):64066420.10项超群,郭文华,张佳文.双线高速铁路桥最优风障高度及作用机理的数值研究J.中南大学学报(自然科学版),2014,45(8):28912898.XIANG Chaoqun,GUO Wenhua,ZHANG Jiawen.Numericalstudyonoptimalheightofwindbarriersandmechanism on high-speed railway bridge with doublelinesJ.JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology),2014,45(8):28912898.(inChinese)11项超群,郭文华,张佳文.强侧风下桥上高速列车倾覆稳定性及最优风障高度的研究J.振动与冲击,2014,33(12):8086.XIANG Chaoqun,GUO Wenhua,ZHANG Jiawen.Overturningstabilityofahigh-speedtrainrunningonabridgeandoptimalheightofwindbarriersunderstrongcrosswindJ.Journal of Vibration and Shock,2014,33(12):8086.(inChinese)12CHUCR,CHANGCY,HUANGCJ,etal.WindbreakprotectionforroadvehiclesagainstcrosswindJ.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,2013,116:6169.13何玮,郭向荣,邹云峰,等.风屏障透风率对车-桥系统气动特性影响的风洞试验研究J.振动与冲击,2015,34(24):9397,110.HE Wei,GUO Xiangrong,ZOU Yunfeng,et al.Windtunneltestontheeffectofwindbarrierporosityontrain-bridgesystemJ.JournalofVibrationandShock,2015,34(24):9397,110.(inChinese)14李波,张剑,杨庆山.桥梁风障挡风性能的试验研究J.振动与冲击,2016,35(8):7882.LI Bo,ZHANG Jian,YANG Qingshan.Experimentalstudy on windbreak performance of wind barriers onbridgeJ.JournalofVibrationandShock,2016,35(8):7882.(inChinese)1580工程力学