王 虹，劉 丹，鄭偉濤，藺世杰，馬 勇，劉 莉，韓 銳

（1. 武漢體育學(xué)院，湖北 武漢 430079；2. 西北工業(yè)大學(xué) 體育部 智能體育工程研究中心，陜西 西安 710072；3. 北京服裝學(xué)院，北京 100029）

跳臺(tái)滑雪是一項(xiàng)驚險(xiǎn)刺激、具有觀賞性的雪上運(yùn)動(dòng)，是冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的比賽項(xiàng)目。比賽中，運(yùn)動(dòng)員穿戴特制運(yùn)動(dòng)裝備，經(jīng)過助滑、起跳、空中飛行、著陸4 個(gè)階段完成比賽動(dòng)作，追求距離更遠(yuǎn)、著陸更穩(wěn)（廖立宏 等，2022）。跳臺(tái)滑雪飛行階段的表現(xiàn)決定了最終的距離、著陸穩(wěn)定性，而氣動(dòng)特性直接影響著飛行階段的表現(xiàn)（胡齊 等，2020a）。

影響跳臺(tái)滑雪飛行階段氣動(dòng)性能的因素涉及環(huán)境、人體、裝備等，其中，風(fēng)速、風(fēng)向變化對空氣動(dòng)力性能的影響（胡齊 等，2020a； Virmavirta et al.，2022）以及運(yùn)動(dòng)員自身飛行姿態(tài)（胡齊 等， 2018；Cao et al.，2022）都影響著運(yùn)動(dòng)成績的提高。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，器材裝備對運(yùn)動(dòng)成績的影響被廣泛關(guān)注。2009 年，Nrstrud 等在采用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics， CFD）分析跳臺(tái)滑雪飛行階段不同姿態(tài)下氣動(dòng)性能時(shí)提出了一種新型跳臺(tái)滑雪板的設(shè)計(jì)方案（Nrstrud et al.， 2009）。隨后，為了促進(jìn)公平競技，國際滑雪聯(lián)合會(huì)（International Ski Federation，F(xiàn)IS）根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的身高體重等自身因素對滑雪板的板長、板寬等各斷面尺寸做了嚴(yán)格要求（FIS，2022）。除了器材外，服裝亦是影響跳臺(tái)滑雪成績的重要因素，跳臺(tái)滑雪服的面料、版型、尺寸對跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目空氣動(dòng)力性能有明顯影響（Chowdhury et al.，2011；Chowdhury，2012），跳臺(tái)滑雪服的松緊程度對于飛行階段氣動(dòng)性能影響顯著（Meile et al.，2006；Virmavirta et al.，2009），高透氣性的服裝面料可改善跳臺(tái)滑雪的失速特性（Kataoka et al.，2020），面料整體粗糙度對跳臺(tái)滑雪飛行階段氣動(dòng)性能有確定的影響（劉丹等，2021）。為此，F(xiàn)IS 亦對跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員服裝的厚薄、緊身程度等方面提出嚴(yán)格的規(guī)定和要求，通過不斷改變跳臺(tái)滑雪服的規(guī)則，限制運(yùn)動(dòng)員通過服裝細(xì)節(jié)助力運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)氣動(dòng)性能的提升（FIS，2022）。

2021 年1 月19 日，習(xí)近平總書記在張家口國家跳臺(tái)滑雪中心考察2022 北京冬奧會(huì)、冬殘奧會(huì)籌辦情況時(shí)指出，同我們國家的強(qiáng)國之路一樣，中國冰雪運(yùn)動(dòng)也必須走科技創(chuàng)新之路。跳臺(tái)滑雪比賽服裝的選材設(shè)計(jì)正是“科技冬奧”的一項(xiàng)重要研究課題。為有效分析服裝面料對跳臺(tái)滑雪飛行階段空氣動(dòng)力性能的影響，明確跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目服裝選材的判據(jù)，本研究采用CFD 建立了我國某位優(yōu)秀跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員典型姿勢下的三維幾何模型與網(wǎng)格模型，調(diào)用k-ω Shear Stress Transport（以下簡稱SST k-ω）湍流模型對跳臺(tái)滑雪飛行階段的氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算，分析四肢和軀干采用不同服裝面料對跳臺(tái)滑雪飛行階段氣動(dòng)性能的影響，為跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員個(gè)性化服裝面料的設(shè)計(jì)和選型提供依據(jù)，助力我國跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員在比賽中實(shí)現(xiàn)成績突破。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本文研究對象為跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員及滑雪板組成的運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)。跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員為我國跳臺(tái)滑雪隊(duì)某運(yùn)動(dòng)健將級運(yùn)動(dòng)員，身高173 cm，體重53 kg，身體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）為17.7；滑雪板長251 cm、寬11.5 cm、厚1 cm。

對佩戴全部比賽裝備的該名運(yùn)動(dòng)員典型飛行姿態(tài)進(jìn)行三維掃描，將運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)數(shù)字化形成一個(gè)空間的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用逆向設(shè)計(jì)軟件Geomagic Wrap將這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面造型實(shí)體化，獲得數(shù)值模擬計(jì)算所需的運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)三維實(shí)體幾何模型。其中，滑雪板與運(yùn)動(dòng)員身體夾角β=20.8°，運(yùn)動(dòng)員上半身彎曲角度γ=163.0°，滑雪板夾角λ=37.5°。為充分考慮身體不同部位服裝面料差異對于氣動(dòng)性能的影響，根據(jù)Gardan等（2017）的研究選取氣動(dòng)性能較優(yōu)的滑雪板攻角α=14.0°作為本研究的滑雪板固定姿態(tài)，運(yùn)動(dòng)員-滑雪板飛行姿態(tài)如圖1 所示。

1.2 主要參數(shù)指標(biāo)

1.2.1 空中飛行階段

空中飛行階段，跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員與滑雪板在空中的飛行姿態(tài)符合空氣動(dòng)力學(xué)原理，即采取高出水平面的飛行角度，獲得＞1 的升阻比（柴明發(fā)，2016）。在跳臺(tái)滑雪飛行階段，運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)所受到的力主要有重力G、升力L和阻力D。阻力D作用在運(yùn)動(dòng)員相對于空氣運(yùn)動(dòng)的相反方向，會(huì)降低運(yùn)動(dòng)員和空氣的相對速度；升力L是由流經(jīng)運(yùn)動(dòng)員-滑雪板上下表面氣流的速度差導(dǎo)致的壓強(qiáng)差產(chǎn)生的，作用在運(yùn)動(dòng)員速度的垂直方向，會(huì)改變運(yùn)動(dòng)員在空氣中相對運(yùn)動(dòng)的方向。具體公式如下：

式中，ρ表示空氣的密度，V代表跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員的飛行速度，CD為阻力系數(shù)，CL為升力系數(shù)，A為跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員-滑雪板運(yùn)動(dòng)方向上的正投影面積（Müller，2008），K為升阻比。

1.2.2 服裝表面粗糙度

服裝面料在制作過程中由于表面凸起或者凹陷等多種微觀結(jié)構(gòu)的變化，使得面料表面粗糙度變得毫無規(guī)律。已有研究表明，服裝面料表面粗糙度的大小、位置和密度是影響流場的關(guān)鍵因素（曹宏遠(yuǎn)；2018；Sagol et al.，2013）。本研究根據(jù)等效粗糙度原理（劉通 等，2018；Nikuradse，1950），將跳臺(tái)滑雪服面料因表面結(jié)構(gòu)微觀變化引起的粗糙度假設(shè)為表面覆蓋一層尺寸較小、形狀大小完全相同且排列緊湊的圓形固體顆粒，用等效粗糙度hs＋表征跳臺(tái)滑雪服面料的表面粗糙程度，粗糙度常數(shù)設(shè)置為0.5，默認(rèn)表面粗糙度均勻分布（曹宏遠(yuǎn)，2018；謝非 等，2015）。

1.3 控制方程

根據(jù)跳臺(tái)滑雪比賽中參賽者空中飛行的實(shí)際速度范圍在20～30 m/s，可以確定跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員周圍流場空氣為不可壓縮流體。飛行過程中運(yùn)動(dòng)員流場雷諾數(shù)為（5×105）～（9×105），屬于湍流。綜合考慮運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)周圍流動(dòng)分離的復(fù)雜物理現(xiàn)象，本研究采用雷諾平均（Reynolds-averaged Navier-Stokes， RANS）方程求解跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員周圍流場的氣動(dòng)力特征，RANS 方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程如下：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

式中，xi、xj為坐標(biāo)分量，ρ為空氣密度，ui、uj為速度分量，u’i、uj’ 為加速度分量，p為壓力，μ為空氣動(dòng)力粘性系數(shù)，t為時(shí)間。

本文采用有限體積法（finite volume method）對控制方程進(jìn)行離散計(jì)算。而由于SST k-ω 湍流模型在流動(dòng)領(lǐng)域模擬中具有較高的精度和可信度，能夠精確地捕捉逆壓梯度造成的跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員周圍流體分離現(xiàn)象，對于近壁面區(qū)域和遠(yuǎn)流場都可以很好地模擬（藺世杰 等，2021；Latchman et al.，2016），因此，本研究調(diào)用SST k-ω 湍流模型針對滑雪服不同部位面料對跳臺(tái)滑雪飛行階段氣動(dòng)特性影響進(jìn)行CFD 研究。

1.4 數(shù)值模型

1.4.1 計(jì)算域與網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

根據(jù)跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員空中飛行典型姿態(tài)，建立運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)的三維實(shí)體模型及計(jì)算域（圖2）（Lee et al.，2012）。

本研究選用ANSYS 的前處理軟件Meshing 對計(jì)算域進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分（圖3）。為保證運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)周圍流場計(jì)算的精確性和控制計(jì)算域網(wǎng)格的經(jīng)濟(jì)性，在運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)周圍創(chuàng)建網(wǎng)格加密區(qū)域，并劃分尺寸較小的網(wǎng)格單元，同時(shí)確保y＋控制在1 左右，結(jié)合跳臺(tái)滑雪服裝表面粗糙度及其數(shù)值模擬的相關(guān)要求，設(shè)置近壁面第一層網(wǎng)格高度為（7.78×10-6）m。遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)格單元尺寸較大，以較高精度獲取運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)周圍的流場形態(tài)。

針對上述網(wǎng)格模型，為提高數(shù)值模擬精度，對所劃分網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證以減小數(shù)值模擬誤差。網(wǎng)格單元總量為1 500 萬～3 847 萬，在同一模擬條件下進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果表明4 種網(wǎng)格驗(yàn)證計(jì)算獲得運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)的升阻比均為2.1（表1）。在綜合考慮計(jì)算資源和效率的情況下，本研究選定1 500 萬網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的計(jì)算域離散方案。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果Table 1 Results of Grid-independency Test

1.4.2 邊界條件與計(jì)算工況

邊界條件的設(shè)置：1）運(yùn)動(dòng)員迎流面入口設(shè)置為速度入口，進(jìn)口速度根據(jù)飛行速度確定，取29 m/s（陳志峰，2014）；2）尾流處計(jì)算域邊界為壓力出口，壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa；3）運(yùn)動(dòng)員-滑雪板表面設(shè)置為無滑移的壁面邊界（胡齊 等，2020b）；4）氣體為不可壓縮空氣。

本文依據(jù)FIS 規(guī)定的跳臺(tái)滑雪服裝面料表面結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異，通過圓柱筒風(fēng)洞阻力實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出表面粗糙度為7.8 μm（1#）、10.9 μm（2#）、17.0 μm（3#）和28.2 μm（4#））的4 種服裝面料。考慮到身體不同部位服裝面料表面粗糙度差異可能對運(yùn)動(dòng)成績造成的影響，結(jié)合FIS 要求跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員在比賽中必須佩戴由FIS 配發(fā)的號碼布的實(shí)際情況，本研究對運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)幾何模型做分割處理（圖4，黃色為四肢，紅色為軀干），并通過對四肢和軀干部位采用上述4 種表面粗糙度的服裝面料兩兩搭配進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)的氣動(dòng)性能研究。

圖4 跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員服裝分割示意圖Figure 4. Schematic Diagram of Ski Jumper Clothing’s Segmentation

1.4.3 可靠性驗(yàn)證

采用CFD 進(jìn)行跳臺(tái)滑雪飛行階段氣動(dòng)性能的研究需要對其數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行可靠性驗(yàn)證（Lee et al.，2012；Pascual et al.，2009）。本文建立了如表2 所示的數(shù)值模型，選取滑雪板攻角α 的變化范圍為5°～45°進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)對比如圖5 所示。結(jié)果表明，滑雪板攻角不同時(shí)運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)的升阻比模擬結(jié)果符合跳臺(tái)滑雪飛行階段空氣動(dòng)力性能的實(shí)際變化規(guī)律。由于運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)的幾何模型、劃分的計(jì)算域網(wǎng)格以及飛行姿態(tài)等差異，本研究結(jié)果中運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)的升阻比數(shù)值與文獻(xiàn)對比有一定差異，但升阻比的變化趨勢和數(shù)量級與已有文獻(xiàn)報(bào)道相一致。

表2 本研究建立的數(shù)值模型及與相關(guān)文獻(xiàn)研究的對比Table 2 The Established Model in this Study Compared with Literatures

圖5 數(shù)值模擬方法的有效性驗(yàn)證對比圖Figure 5. The Comparison Chart of Numerical Simulation’s Validation

2 結(jié)果

2.1 升阻力系數(shù)

如表3、表4 和表5 所示，軀干和四肢搭配不同面料對運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力及升阻比有一定的影響。四肢面料1#搭配軀干面料4#（以下簡稱（四肢1#＋軀干4#），其他搭配類型以此類推）時(shí)阻力系數(shù)最小，（四肢2#＋軀干2#）時(shí)阻力系數(shù)最大。（四肢2#＋軀干3#）時(shí)升力系數(shù)最大，而當(dāng)四肢和軀干面料均采用3#時(shí)升力系數(shù)最小。軀干面料選用4#時(shí)，無論四肢面料為其他哪種，系統(tǒng)總體升阻比均比較大，尤其是四肢面料為1#時(shí)升阻比出現(xiàn)最大值。

表3 運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)阻力系數(shù)CD情況Table 3 Drag Coefficient of Whole Athlete/Skis System

表4 運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)升力系數(shù)CL情況Table 4 Lift Coefficient of Whole Athlete/Skis System

表5 運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)升阻比K情況Table 5 Lift Drag Ratio of Whole Athlete/Skis System

以（四肢2#＋軀干2#）時(shí)的最大阻力系數(shù)為參照，運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)阻力系數(shù)降低率如圖6 所示。結(jié)果表明，除（四肢3#＋軀干1#）及（四肢1#＋軀干4#）以外，其余搭配下系統(tǒng)阻力系數(shù)降低率均在1.2%以內(nèi)，尤其是（四肢4#＋軀干2#）時(shí)阻力系數(shù)降低率僅為0.02%，而當(dāng)（四肢1#＋軀干4#）時(shí)阻力系數(shù)降低率可達(dá)2.26%。

圖6 運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)阻力系數(shù)降低率Figure 6. Bar Chart of Resistance Coefficient’s Reduction Rate of Whole Athlete/Skis System

以四肢和軀干面料均為3#時(shí)的最小升力系數(shù)為參照，運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)升力系數(shù)增長率如圖7 所示。結(jié)果表明，除（四肢1#＋軀干1#）、（四肢2#＋軀干1#）和（四肢2#＋軀干3#）以外，其余搭配下系統(tǒng)升力系數(shù)增長率均在1.2%以下；（四肢1#＋軀干4#）時(shí)升力系數(shù)增長率最低，僅為0.51%；當(dāng)（四肢1#＋軀干1#）和（四肢2#＋軀干3#）時(shí)最大增長率同比較大，分別為1.84 和1.85%。

圖7 運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)升力系數(shù)增長率Figure 7. Bar Chart of Lift Coefficient’s Growth Rate of Whole Athlete/Skis System

以軀干和四肢面料均為3#時(shí)的最小升阻比為參照，運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)升阻比增長率如圖8 所示。結(jié)果表明，除（四肢4#＋軀干1#）和（四肢4#＋軀干2#）外，其余搭配下系統(tǒng)升阻比增長率均在1.2%以上，（四肢3#＋軀干1#）、（四肢1#＋軀干4#）及（四肢3#＋軀干4#）系統(tǒng)升阻比增長率都在2%以上，其中（四肢1#＋軀干4#）時(shí)升阻比最大增幅可達(dá)到2.60%。

圖8 運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)升阻比增長率Figure 8. Bar Chart of Lift Drag Ratio’s Growth Rate of Whole Athlete/Skis System

2.2 表面壓力分布

跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員四肢和軀干部位搭配不同服裝面料時(shí)壓力分布總體規(guī)律基本一致。以服裝面料為（四肢1#＋軀干4#）時(shí)運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)對外流場壓力分布趨勢為例，高壓區(qū)主要集中在上半身、胯關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以下小腿等部位，肩部最為明顯，低壓區(qū)主要集中在身體側(cè)面（圖9）。

圖9 服裝面料為（四肢1#＋軀干4）時(shí)#運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)正面壓力分布云圖（Pa）Figure 9. Frontal Pressure Distribution Cloud Diagram of Limbs 1 #＋Trunk 4 # of Whole Athlete/Skis System （Pa）

2.3 氣流速度分布

如圖10、圖11 所示，在跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員空中飛行過程中，周圍氣流主要被有一定傾斜角度的身體分成上下兩層，分別從頭部和身體下部流過。當(dāng)四肢和軀干部位采用不同服裝面料時(shí)，運(yùn)動(dòng)員胸前的速度分布和流場狀態(tài)幾乎沒有變化，流速變化基本相同，但背部的速度分布有所差異，主要體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)員頭部后緣和背部周圍的流速變化上。當(dāng)背部服裝面料的表面粗糙度增加時(shí)，運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)壁面氣流低速層厚度逐漸增加，近壁面處整體速度分布減小。說明跳臺(tái)滑雪服裝面料表面結(jié)構(gòu)的變化對運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)的氣動(dòng)性能有影響。

圖10 運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)流場形態(tài)Figure 10. Streamline Diagrams of Whole Athlete/Skis System

圖11 運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)速度云圖（m/s）Figure 11. Velocity Distribution of Whole Athlete/Skis System（m/s）

3 討論

3.1 服裝面料與升阻比

依據(jù)FIS 比賽規(guī)則，運(yùn)動(dòng)員在實(shí)際比賽中必須在滑雪服外佩戴由FIS 統(tǒng)一配發(fā)的號碼布，跳臺(tái)滑雪服必須與號碼布貼合并保持透氣率一致，但對材質(zhì)無固定要求，即在實(shí)際比賽中，滑雪服四肢和軀干部位可以選擇不同材質(zhì)的服裝面料。因此，在設(shè)計(jì)會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員比賽中距離分成績的滑雪服時(shí)，不僅要考慮服裝的整體結(jié)構(gòu)材質(zhì)，還要考慮到身體不同部位服裝面料的影響。本研究結(jié)果顯示，跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員四肢和軀干部位搭配不同服裝面料時(shí)，運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)的氣動(dòng)性能表面分布規(guī)律和變化趨勢基本相似，但對局部氣動(dòng)性能有一定影響，且相比于升力系數(shù)的變化率，阻力系數(shù)變化率差異更顯著，即四肢和軀干部位服裝面料阻力影響的敏感度高于升力，在升力變化不大的情況下可優(yōu)先選擇減阻效果較好的面料。已有研究以虛擬人體模型為研究對象進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明，當(dāng)跳臺(tái)滑雪服表面粗糙度均采用17.036 μm時(shí)其整體系統(tǒng)升阻比最大，飛行階段氣動(dòng)性能最好（劉丹等，2021）；而本研究結(jié)果表明，（四肢1#＋軀干4#）時(shí)升阻比最大、氣動(dòng)性能最優(yōu)。二者計(jì)算結(jié)果的差異說明跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目因人而異定制高性能服裝的特殊性。

3.2 服裝面料與壓力分布

跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員空氣阻力由運(yùn)動(dòng)姿態(tài)決定的壓差阻力和服裝影響的摩擦阻力組成。本研究結(jié)果顯示，飛行階段下，無論是哪種服裝面料搭配組合，迎流面壓力分布均較為集中，主要集中在肩部、腹部和小腿迎流區(qū)域，說明競賽服裝面料的變化對于運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)空氣動(dòng)力性能有確定的影響。隨著運(yùn)動(dòng)員技戰(zhàn)術(shù)的不斷完善，服裝的減阻性能已成為體育強(qiáng)國比拼的重要領(lǐng)域，通過設(shè)計(jì)服裝表面結(jié)構(gòu)降低服裝面料摩擦阻力已成為冬奧時(shí)代研究的主要課題（藺世杰 等，2021）。已有研究表明，一定表面粗糙度的滑雪服有利于運(yùn)動(dòng)員周圍的空氣流動(dòng)，能有效減少跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)中所受的空氣阻力（劉丹 等，2021；Brownlie，1992）。較高速度下，低粗糙度的服裝面料有一定的氣動(dòng)優(yōu)勢；高粗糙度的服裝面料在低速環(huán)境下阻力較低（Moria et al.，2010，2011，2012）?？椢锉砻娲植诙瘸^一定范圍可造成運(yùn)動(dòng)員背部逆壓梯度增大，導(dǎo)致周圍氣流提前分離，阻力增加，影響系統(tǒng)整體氣動(dòng)性能（劉丹 等，2021）。從服裝減阻角度來看，本研究結(jié)果表明具有一定表面粗糙度的滑雪服可推遲運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)周圍的流場分離，使分離點(diǎn)靠后從而減少了壓差阻力，最終提升了運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)的空氣動(dòng)力性能。因此，如果FIS 能將比賽中統(tǒng)一佩戴的號碼布肩膀材料盡可能設(shè)計(jì)成減阻面料，可以最大限度地減小空氣阻力，對于運(yùn)動(dòng)員整體成績的提高具有重要的意義。此外，鑒于腹部迎流面壓力分布較為集中，腹部局部及膝蓋以下應(yīng)重點(diǎn)考慮服裝減阻，以降低服裝面料摩擦阻力，同時(shí)，減阻服裝表面織物的選擇和設(shè)計(jì)應(yīng)避免在高壓區(qū)和高速區(qū)分離，以提高運(yùn)動(dòng)員周圍流場光順程度，以降低運(yùn)動(dòng)員在飛行過程中的能耗。

3.3 服裝面料與流場分布

本研究結(jié)果顯示，在運(yùn)動(dòng)員飛行過程中，周圍的氣流被前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)員的身體分成上部和下部兩股流過并在尾部交匯，氣流交匯后在尾部產(chǎn)生了一定的渦流。整體來看，在四肢和軀干部位搭配不同服裝面料時(shí)，運(yùn)動(dòng)員—滑雪板整體系統(tǒng)的速度分布和流場性質(zhì)幾乎沒有變化，但是跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員表面速度分布仍有差別，跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員背部低速層厚度差異明顯，尤其是當(dāng)四肢部位服裝面料不變的情況下，隨著軀干部位服裝面料的差異變化最為明顯。因此，對于運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而言，軀干背面服裝面料的選擇可極大地影響運(yùn)動(dòng)員的飛行成績。當(dāng)軀干與身體其他部位服裝面料不一致時(shí)，尤其是在四肢和軀干表面粗糙度發(fā)生突變的位置，臀部靠上低速層厚度會(huì)有突變，這將導(dǎo)致實(shí)際飛行過程中該部位氣流不夠順暢，最終影響運(yùn)動(dòng)員空中飛行距離。因此，從理論上來說，在滿足FIS 規(guī)則要求前提下，優(yōu)化跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員比賽服四肢和軀干部位面料表面粗糙度搭配可促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員競技表現(xiàn)水平的提升。

4 結(jié)論

1）跳臺(tái)滑雪服裝面料差異對跳臺(tái)滑雪飛行階段氣動(dòng)性能產(chǎn)生較大影響，對運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)的升力、阻力、升阻比、表面壓力及周圍流場產(chǎn)生不同的影響，這些影響機(jī)理可通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究驗(yàn)證。

2）對于本文研究對象而言，四肢面料1#搭配軀干面料4#時(shí)運(yùn)動(dòng)員-滑雪板整體系統(tǒng)飛行階段氣動(dòng)性能最優(yōu)，可優(yōu)先選用該種搭配下的服裝面料制作比賽服裝。

3）采用CFD 方法分析服裝面料表面粗糙度對跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員飛行階段氣動(dòng)性能的影響能夠?yàn)樘_(tái)滑雪服裝面料的選取和運(yùn)動(dòng)員個(gè)性化比賽服裝的定制提供有效的輔助支持。