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清华大学摩擦学国家重点实验室助力冬奥会冰雪项目:气动减阻

清华大学摩擦学国家重点实验室助力冬奥会冰雪项目:气动减阻

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  • Time of issue:2022-02-23
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清华大学摩擦学国家重点实验室助力冬奥会冰雪项目:气动减阻

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  2022年2月20日,第二十四届北京冬季奥林匹克运动会胜利闭幕,我国健儿取得了9金5银2铜的历史最佳战绩。2019年以来在清华大学摩擦学国家重点实验室汪家道、翁鼎、马丽然、马原等带领研发团队(王延青、魏玉举、庞作波、聂幼、张传彬、陈逸卿、梁真为、李轩、张轩鹤、薛煜、张继等)承担了“冬季项目运动减阻关键技术及平台研究”、参与了“冬季运动与训练比赛高性能服装研发关键技术”等两项科技部“科技冬奥”重点专项,充分利用摩擦学国家重点实验室在流固界面减阻方面的研究优势,将流固界面气动减阻理论成果、风洞实验技术手段、表面微结构设计及制备技术紧密结合,完成了运动员姿态减阻优化、风洞辅助训练,以及比赛服、头盔等关键比赛装备的空气动力学减阻优化任务。同时该团队坚持理论结合实际,将“产、学、研、用”充分结合,实现了自主知识产权装备的实战应用,研究成果对冬奥会上我国运动员在滑冰项目上的争金得银、钢架雪车上的首次奖牌突破、北欧两项的首次亮相等成绩取得起到了助力作用,成为了“科技冬奥”的典型示范。
空气动力学姿态减阻
  在冬奥典型竞速运动中,空气阻力是主要阻力因素,其中压差阻力为主要阻力项。通过运动员姿态的优化,能够实现显著的压差阻力降低;通过编队的技战术优化,能够实现耗能减少,提高完赛成绩。
  针对大道速滑、短道速滑、钢架雪车、北欧两项等冬季运动项目,团队通过3D扫描采集运动员身体数字模型,开展流体力学仿真分析阻力来源和占比,厘清了姿态减阻关键部位,并通过数字模型变形探明了运动员姿态对阻力的影响规律,结合风洞实验中通过姿态捕捉设备和六分力天平同步记录的运动员姿态角与阻力数据,确定了每位受试运动员的减阻优化姿态,并针对多人项目为运动队提供了合理的编队和跟随参数作为技战术编排参考,相关研究也为运动员服装、头盔等装备的减阻设计奠定了基础。

 


 
短道速滑编队阻力优化 


北欧两项、钢架雪车等项目风洞训练和测试
 

  在跳台滑雪和北欧两项中等高危项目中,汪家道团队联合沈阳空气动力研究所通过运动员数字模型,构建了空中飞行仿真计算方法,获得了助滑减阻姿态和能够获得较大升阻比的空中姿态角,并通过涞源风洞的吊飞训练来培养了运动员的肌肉记忆。借助风洞开展的拟真训练方法解决了队员训练时长和安全性问题,帮助我国北欧两项队员快速提高了成绩,助力赵嘉文代表中国首次亮相冬奥会北欧两项赛事,成为了我国科技助力冬奥的典型示范,体现了高科技对于体育训练的重要支撑作用。
空气动力学减阻竞速比赛服
  竞速服装是冬季项目中不可或缺的装备。以往我国冬季竞速类服装完全依赖进口,极大的制约了我国冬季运动的健康发展,更无法针对运动员特点进行定制,使得我国运动员在起跑线前就“受了委屈”。
  翁鼎等年轻老师承担了“冬季运动与训练比赛高性能服装研发关键技术”重点专项比赛服空气动力学减阻的研究任务。与北京服装学院刘莉团队合作,结合流体力学仿真和空气动力学减阻原理,提出了冬季竞速项目比赛服的结构减阻、面料减阻等设计方案,短道速滑、大道速滑、高山滑雪、钢架雪车等项目的自主研发比赛服空气阻力降低了5-10%不等,全面优于能够获取的进口服装,并在2022北京冬奥会上实现了实战应用。空气动力学减阻技术在竞技体育中的成功应用是我国体育科技的新一座里程碑。

 


自主研发的短道速滑减阻比赛服登上赛场夺金
 

短道速滑减阻头盔
  短道速滑头盔作为必备装备,在确保运动员人身安全的情况下,对运动员风阻起到了重要的影响。在国家体育总局冬季运动管理中心、国家短道速滑队的大力支持下,汪家道团队研制了针对我国运动员典型速度的减阻优化头盔。通过计算流体力学仿真、柔性压印技术,获得了短道头盔的气动减阻优化设计,实现了减阻头盔制备,并使用3D打印人体模型完成了风阻测评,相对平昌冬奥会国家队使用的头盔,最终定型头盔最大减阻率达到8%。最终经体育总局冬运中心和国家短道速滑队讨论,确定使用减阻头盔作为国家队出征装备。该团队全体动员,24小时赶工,只用了5天时间就高质量完成了30只头盔的表面处理并派专人护送至苏州喷绘,2022年1月21日交付国家短道速滑队作为北京冬奥会出征装备,圆满完成了科技保障工作。北京冬奥会上,短道速滑队全员装备减阻头盔,拿下了2金1银1铜的好成绩。

 


短道速滑头盔风阻测试


短道队全面装备空气动力学减阻头盔 
 

  北京冬奥备战和参赛的硕果展现使得气动减阻技术在体育界乃至体育爱好者中受到了高度重视。随着我国体育专用风洞的建设和应用经验日趋完善、气动减阻知识的广泛普及、国产气动减阻体育装备的迭代更新,相信未来气动减阻技术将“飞入寻常百姓家”,为全面提高我国国民生活体验和身体素质贡献更多的力量。 
 

转载 | 清华大学摩擦学国家重点实验室

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