作者:温才妃 来源:中国科学报 发布时间:2022/1/27 20:58:06
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风洞中玩转冰雪项目

李波团队成员正在进行钢架雪车风洞测试。北京交通大学供图

李波团队成员正在进行钢架雪车风洞测试。北京交通大学供图

在北京交通大学风洞实验室内,换上钢架雪车运动员的训练服,北京交通大学博士生张渊召挨个儿试验前后移动身体位置、拢肩、并腿等不同姿势的风阻,20米/秒的风吹来,一股寒意迅速袭来,“发现是真的冷,更何况冰雪项目赛场上最大风速可达42米/秒”。

冰雪运动的基地开放周期短,如何在无冰雪的季节,最大程度地还原高山滑雪中大风凛冽的场景?

“这就得依靠风洞技术。正常情况下是人在动,运动中形成风。根据相对运动原理,风洞中是反过来的,人不动,风吹到运动员身上,利用风洞中的风模拟运动员高速运动的场景。”北京交通大学土木建筑工程学院教授李波向《中国科学报》解释原理。

在科技部重点研发项目和国家体育总局的支持下,李波带领团队研发了我国第一套冰雪项目风洞辅助训练系统,建立了全套风洞技术应用体系。他们还协助建设了我国第一座体育专业风洞,该风洞克服了老厂房尺寸限制的困难,在尺寸上做到了和最先进的日本体科所体育专业风洞一致,最高风速更是达到了42米/秒,比日本体科所风洞的35米/秒更上一层楼,实现了冬季项目全覆盖,风洞参数达到了国际先进水平。

当然,光有大风吹,并不是风洞模拟训练。在模拟场景中,李波团队设计了一个特殊的滑板,在滑板上运动员可练习蹬冰动作;开动跑台,运动员便可进行轮滑模拟训练;开发的六自由度系统可满足不同角度翻转,常用于车撬项目训练。这样冬季项目的训练就再也不受天气影响,即便是在盛夏也可以在模拟场景中完成,在一定程度上解决了冬季项目训练场地开放周期短、维护成本高的难题。

团队的日常工作之一是摆姿势、测阻力。“从前我只知,人站着和趴着的风阻是不同的,但其实姿态微调,比如人往后移一点、双手弓起来、把肩揉成圆肩、绷脚尖等姿势组合在一起,减阻效果同样出乎意料。”张渊召兴奋地说。

同样,在多人比赛中,运动员的位置不同,风阻也不尽相同。如何通过团队配合,最大程度地实现换位减阻,这就要依赖风洞辅助训练系统实时反馈风速、风阻力、姿态、重心位置、测试指令等数据,后经过科学测算,最终得到运动姿态以及队列优化方案。

通过风洞测试,运动员在姿态风阻优化、队列风阻优化方面取得了可喜的成果。钢架雪车项目国家集训队8名重点运动员的滑行姿态,平均减阻11.78%。这是一个什么概念?李波告诉《中国科学报》,风阻减少10%,成绩可提高1%。平昌冬奥会时,男子钢架雪车项目第一名与第六名的差距仅为1.2%。去年11月,耿文强在钢架雪车世界杯奥地利因斯布鲁克站拿到首个冠军,为中国钢架雪车创造历史。这也就意味着我国运动员在争金夺银的道路上更有希望。

目前,李波团队已开发了冰上项目、雪上项目、车橇项目风洞测试全套辅助装置,形成了包括冬季项目风洞训练体系、运动姿态优化减阻技术、队列优化减阻技术、赛道赛时环境风评估与应对技术、运动装备风阻性能评测技术的完整风洞技术应用体系,应用于奥运会15个冬季项目392名运动员、2500人次。

说到风洞技术所提供的科研服务,李波常用“人、机、环”三个字概括。“‘人’所指的是运动员姿态、模拟训练,‘机’是用于运动装备风阻性能的评测,支撑低风阻高性能运动装备的研发,如训练服、头盔等,而‘环’是赛道关键区域赛时风速、风向的评估,为运动员提供关键环境参数。”

办赛精彩、参赛出彩是北京2022年冬奥会的目标,这就不得不提李波团队的另一项工作。延庆赛区位于小海坨山南坡,山上风速变幻万千,“这里的风究竟有多大?”如何安全、经济地进行抗风设计是建设团队一筹莫展的难题。

李波带领着团队革新了传统的风洞试验方法,通过多尺度模拟的方法得到了国家高山滑雪中心不同区域设计风速的大小,截断模型的方法给出了国家雪车雪橇中心的抗风设计参数,3D打印技术建立了格构式临时设施风洞试验方法。一系列的科技创新保证了赛区基础设施、临时设施建设的顺利完成,也节省了工程造价。

 

 
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