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清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室助力冬奧會(huì)冰雪項(xiàng)目：氣動(dòng)減阻
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2022年2月20日，第二十四屆北京冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)勝利閉幕，我國健兒取得了9金5銀2銅的歷史最佳戰(zhàn)績。2019年以來在清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室汪家道、翁鼎、馬麗然、馬原等帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)（王延青、魏玉舉、龐作波、聶幼、張傳彬、陳逸卿、梁真為、李軒、張軒鶴、薛煜、張繼等）承擔(dān)了“冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)減阻關(guān)鍵技術(shù)及平臺(tái)研究”、參與了“冬季運(yùn)動(dòng)與訓(xùn)練比賽高性能服裝研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”等兩項(xiàng)科技部“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)，充分利用摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在流固界面減阻方面的研究優(yōu)勢，將流固界面氣動(dòng)減阻理論成果、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段、表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備技術(shù)緊密結(jié)合，完成了運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)減阻優(yōu)化、風(fēng)洞輔助訓(xùn)練，以及比賽服、頭盔等關(guān)鍵比賽裝備的空氣動(dòng)力學(xué)減阻優(yōu)化任務(wù)。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持理論結(jié)合實(shí)際，將“產(chǎn)、學(xué)、研、用”充分結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)裝備的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，研究成果對(duì)冬奧會(huì)上我國運(yùn)動(dòng)員在滑冰項(xiàng)目上的爭金得銀、鋼架雪車上的首次獎(jiǎng)牌突破、北歐兩項(xiàng)的首次亮相等成績?nèi)〉闷鸬搅酥ψ饔?，成為?ldquo;科技冬奧”的典型示范。
空氣動(dòng)力學(xué)姿態(tài)減阻
在冬奧典型競速運(yùn)動(dòng)中，空氣阻力是主要阻力因素，其中壓差阻力為主要阻力項(xiàng)。通過運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)的優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的壓差阻力降低；通過編隊(duì)的技戰(zhàn)術(shù)優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)耗能減少，提高完賽成績。
針對(duì)大道速滑、短道速滑、鋼架雪車、北歐兩項(xiàng)等冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)通過3D掃描采集運(yùn)動(dòng)員身體數(shù)字模型，開展流體力學(xué)仿真分析阻力來源和占比，厘清了姿態(tài)減阻關(guān)鍵部位，并通過數(shù)字模型變形探明了運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)對(duì)阻力的影響規(guī)律，結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中通過姿態(tài)捕捉設(shè)備和六分力天平同步記錄的運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)角與阻力數(shù)據(jù)，確定了每位受試運(yùn)動(dòng)員的減阻優(yōu)化姿態(tài)，并針對(duì)多人項(xiàng)目為運(yùn)動(dòng)隊(duì)提供了合理的編隊(duì)和跟隨參數(shù)作為技戰(zhàn)術(shù)編排參考，相關(guān)研究也為運(yùn)動(dòng)員服裝、頭盔等裝備的減阻設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
短道速滑編隊(duì)阻力優(yōu)化
北歐兩項(xiàng)、鋼架雪車等項(xiàng)目風(fēng)洞訓(xùn)練和測試
在跳臺(tái)滑雪和北歐兩項(xiàng)中等高危項(xiàng)目中，汪家道團(tuán)隊(duì)聯(lián)合沈陽空氣動(dòng)力研究所通過運(yùn)動(dòng)員數(shù)字模型，構(gòu)建了空中飛行仿真計(jì)算方法，獲得了助滑減阻姿態(tài)和能夠獲得較大升阻比的空中姿態(tài)角，并通過淶源風(fēng)洞的吊飛訓(xùn)練來培養(yǎng)了運(yùn)動(dòng)員的肌肉記憶。借助風(fēng)洞開展的擬真訓(xùn)練方法解決了隊(duì)員訓(xùn)練時(shí)長和安全性問題，幫助我國北歐兩項(xiàng)隊(duì)員快速提高了成績，助力趙嘉文代表中國首次亮相冬奧會(huì)北歐兩項(xiàng)賽事，成為了我國科技助力冬奧的典型示范，體現(xiàn)了高科技對(duì)于體育訓(xùn)練的重要支撐作用。
空氣動(dòng)力學(xué)減阻競速比賽服
競速服裝是冬季項(xiàng)目中不可或缺的裝備。以往我國冬季競速類服裝完全依賴進(jìn)口，極大的制約了我國冬季運(yùn)動(dòng)的健康發(fā)展，更無法針對(duì)運(yùn)動(dòng)員特點(diǎn)進(jìn)行定制，使得我國運(yùn)動(dòng)員在起跑線前就“受了委屈”。
翁鼎等年輕老師承擔(dān)了“冬季運(yùn)動(dòng)與訓(xùn)練比賽高性能服裝研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)比賽服空氣動(dòng)力學(xué)減阻的研究任務(wù)。與北京服裝學(xué)院劉莉團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合流體力學(xué)仿真和空氣動(dòng)力學(xué)減阻原理，提出了冬季競速項(xiàng)目比賽服的結(jié)構(gòu)減阻、面料減阻等設(shè)計(jì)方案，短道速滑、大道速滑、高山滑雪、鋼架雪車等項(xiàng)目的自主研發(fā)比賽服空氣阻力降低了5-10%不等，全面優(yōu)于能夠獲取的進(jìn)口服裝，并在2022北京冬奧會(huì)上實(shí)現(xiàn)了實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用?？諝鈩?dòng)力學(xué)減阻技術(shù)在競技體育中的成功應(yīng)用是我國體育科技的新一座里程碑。
自主研發(fā)的短道速滑減阻比賽服登上賽場奪金
短道速滑減阻頭盔
短道速滑頭盔作為必備裝備，在確保運(yùn)動(dòng)員人身安全的情況下，對(duì)運(yùn)動(dòng)員風(fēng)阻起到了重要的影響。在國家體育總局冬季運(yùn)動(dòng)管理中心、國家短道速滑隊(duì)的大力支持下，汪家道團(tuán)隊(duì)研制了針對(duì)我國運(yùn)動(dòng)員典型速度的減阻優(yōu)化頭盔。通過計(jì)算流體力學(xué)仿真、柔性壓印技術(shù)，獲得了短道頭盔的氣動(dòng)減阻優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了減阻頭盔制備，并使用3D打印人體模型完成了風(fēng)阻測評(píng)，相對(duì)平昌冬奧會(huì)國家隊(duì)使用的頭盔，最終定型頭盔最大減阻率達(dá)到8%。最終經(jīng)體育總局冬運(yùn)中心和國家短道速滑隊(duì)討論，確定使用減阻頭盔作為國家隊(duì)出征裝備。該團(tuán)隊(duì)全體動(dòng)員，24小時(shí)趕工，只用了5天時(shí)間就高質(zhì)量完成了30只頭盔的表面處理并派專人護(hù)送至蘇州噴繪，2022年1月21日交付國家短道速滑隊(duì)作為北京冬奧會(huì)出征裝備，圓滿完成了科技保障工作。北京冬奧會(huì)上，短道速滑隊(duì)全員裝備減阻頭盔，拿下了2金1銀1銅的好成績。
短道速滑頭盔風(fēng)阻測試
短道隊(duì)全面裝備空氣動(dòng)力學(xué)減阻頭盔
北京冬奧備戰(zhàn)和參賽的碩果展現(xiàn)使得氣動(dòng)減阻技術(shù)在體育界乃至體育愛好者中受到了高度重視。隨著我國體育專用風(fēng)洞的建設(shè)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)日趨完善、氣動(dòng)減阻知識(shí)的廣泛普及、國產(chǎn)氣動(dòng)減阻體育裝備的迭代更新，相信未來氣動(dòng)減阻技術(shù)將“飛入尋常百姓家”，為全面提高我國國民生活體驗(yàn)和身體素質(zhì)貢獻(xiàn)更多的力量。
轉(zhuǎn)載 | 清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
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