CN110136255B - 一种滑雪场运动员风阻耗能评估方法 - Google Patents

一种滑雪场运动员风阻耗能评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种滑雪场运动员风阻耗能评估方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、根据滑雪场真实的地形地貌，通过GIS方法获取三维空间信息，建立滑雪场地形模型；步骤二、通过风洞试验获取运动员典型运动姿态的风阻系数；步骤三、按照运动员典型运动姿态对滑雪场赛道进行分段，结合滑雪场风场分布函数特征在赛道区间布设滑雪场风速传感器的安装位置；步骤四、结合风速传感器采集的数据建立滑雪场风场分布函数；步骤五、建立运动员风阻耗能评估模型。本发明对滑雪场地形地貌信息进行地理信息数字化建模，为滑雪场风场重构提供精准的地形信息，可以为运动员更加科学的提升比赛成绩提供有益的帮助。

Description

一种滑雪场运动员风阻耗能评估方法
技术领域
本发明属于体育工程技术领域，涉及一种运动员风阻耗能模型的评估方法。
背景技术
滑雪运动是冬季运动会重要的比赛项目之一。长期以来，我国在滑雪项目中的成绩一直处于国际上第二梯队，而且滑雪赛事是最吸引眼球、最受大众喜爱的冬季运动会比赛项目。风速风向的变化对滑雪项目的影响非常显著，由运动员前后风压差导致的风阻严重影响运动员的比赛成绩，风速较大时有时会阻碍运动赛事的正常进行，甚至会导致比赛延迟或取消。因此，获取滑雪场风场信息以及如何减少运动员风阻耗能是体育工程学者一直关注的问题。
在一些赛道地形起伏比较大的体育项目中，滑雪场地貌复杂、环境恶劣、雪场区域范围较大，运动员在雪场滑行过程中受到的风环境因素影响大、复杂，导致耗能计算复杂。风阻耗能模型建立是分析运动员风阻耗能的必要手段，可以有效帮助教练员指导运动员进行科学训练，提高运动员竞技水平。目前，体育工程领域暂无此种方法来分析风对滑雪运动员比赛的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种滑雪场运动员风阻耗能评估方法，用于计算运动员滑行过程中克服空气阻力的做功情况。该方法将为教练员与体育科研人员提供精准的运动员风阻耗能数据，为教练员规划运动员常规训练提供科学依据。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种滑雪场运动员风阻耗能评估方法，包括如下步骤：
步骤一、根据滑雪场真实的地形地貌，通过GIS方法获取三维空间信息，建立滑雪场地形模型；
步骤二、通过风洞试验获取运动员典型运动姿态的风阻系数；
步骤三、按照运动员典型运动姿态对滑雪场赛道进行分段，结合滑雪场风场分布函数特征在赛道区间布设滑雪场风速传感器的安装位置；
步骤四、结合风速传感器采集的数据建立滑雪场风场分布函数；
步骤五、建立运动员风阻耗能评估模型。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明对滑雪场地形地貌信息进行地理信息数字化建模，为滑雪场风场重构提供精准的地形信息，可以为运动员更加科学的提升比赛成绩提供有益的帮助。
附图说明
图1为滑雪场赛道平面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明基于地理信息三维地形建模，并通过CFD技术及风洞试验，提供了一种滑雪场运动员风阻耗能评估方法。该方法实施应遵循以下原则：
步骤一、根据滑雪场现场真实地貌及附属设施，通过GIS方法获取三维空间信息，利用高分辨率遥感影像数据处理技术、倾斜摄影测量技术或三维激光扫描技术等建立滑雪场三维地形地貌模型。
步骤二、收集运动员在同一滑雪场赛道不同地势地段的典型运动姿态，利用计算机等仿真手段对运动员的典型运动姿态进行扫描、建模，并确保模型的构造精度，通过风洞实验获取运动员各个典型运动姿态的风阻系数。
步骤三、首先按照运动员在不同赛道地形下的典型运动姿态对滑雪场进行分段(一般可分为5～6段)，然后针对滑雪场环境信息及风场进行数值模拟，提取滑雪场风速梯度场空间分布特征，考虑滑雪运动员运动所产生的风场干扰效应，结合滑雪场风场分布函数特征进一步给出风速传感器布设位置。
步骤四、结合步骤三布设的风速传感器采集的数据建立滑雪场风场分布函数，所述滑雪场风场分布函数以线性函数形式表达，V＝ax+by+cz+d，a、b、c、d为风场分布函数的系数，x、y、z为某一风场传感器布设的位置坐标。
步骤五、建立运动员风阻耗能评估模型，所述运动员风阻耗能评估模型以线性函数形式表达，即其中：n为赛道分段的总个数，i为某一赛段，Si为分段距离，Fi为运动员滑行过程中所受的平均阻力，Fi＝0.5ρ·Vi 2·A·Ci，ρ为空气密度，Vi为分段滑行距离内的平均风速，可由步骤四中滑雪场风场分布函数对风速按照区段距离加权平均得到，Ci为分段滑行距离内运动员的阻力系数,A为运动员的迎风面积，则有：运动员风阻耗能公式/>
实施例：
如图1，根据运动员在雪场滑行过程中的典型运动姿态，将赛道分为5段，即上坡S1、上坡缓坡S2、下坡S3、下坡缓坡S4、平道S5。以赛段S1为例，区间布设的4个传感器测得的实测风速为u1、u2、u3、u4,风速传感器布设位置坐标分别为1(x1,y1,z1)、2(x2,y2,z2)、3(x3,y3,z3)、4(x4,y4,z4)。将风速传感器测得的平均风速及其布设坐标带入滑雪场风场分布函数V＝ax+by+cz+d，则有：
u1＝ax1+by1+cz1+d；
u2＝ax2+by2+cz2+d；
u3＝ax3+by3+cz3+d；
u4＝ax4+by4+cz4+d。
确定线性函数系数a、b、c、d，将赛道S1进行位置区间控制x∈[x1,x4]，y∈[y1,y4]，z∈[z1,z4]，建立赛道S1风场分布函数V1＝ax+by+cz+d，采用此方法分别确定滑雪场风场分布函数V2、V3、V4、V5。然后再将不同赛道区间典型运动姿态阻力系数Ci、平均风速Vi、空气密度ρ、运动员的迎风面积A带入滑行过程中所受的平均阻力公式Fi＝0.5ρ·Vi 2·A·Ci，结合运动员赛段区间距离Si，最后根据运动员风阻耗能公式评估运动员在滑雪场滑行一周的风阻耗能情况：

Claims (1)

1.一种滑雪场运动员风阻耗能评估方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、根据滑雪场真实的地形地貌，通过GIS方法获取三维空间信息，建立滑雪场三维地形模型，具体步骤如下：根据滑雪场现场真实地貌及附属设施，通过GIS方法获取三维空间信息，利用高分辨率遥感影像数据处理技术、倾斜摄影测量技术或三维激光扫描技术建立滑雪场三维地形模型；
步骤二、通过风洞试验获取运动员典型运动姿态的风阻系数，具体步骤如下：收集运动员在同一滑雪场赛道不同地势地段的典型运动姿态，利用仿真手段对运动员的典型运动姿态进行扫描、建模，通过风洞实验获取运动员各个典型运动姿态的风阻系数；
步骤三、按照运动员典型运动姿态对滑雪场赛道进行分段，结合滑雪场风场分布函数特征在赛道区间布设滑雪场风速传感器的安装位置，具体步骤如下：首先按照运动员在不同赛道地形下的典型运动姿态对滑雪场进行分段，然后针对滑雪场环境信息及风场进行数值模拟，提取滑雪场风速梯度场空间分布特征，考虑滑雪运动员运动所产生的风场干扰效应，结合滑雪场风场分布函数特征进一步给出风速传感器布设位置，所述滑雪场风场分布函数，/> 、/>、/>、/>为风场分布函数的系数，/>、/>、/>为某一风速传感器布设的位置坐标；
步骤四、结合风速传感器采集的数据建立滑雪场风场分布函数；
步骤五、建立运动员风阻耗能评估模型，所述运动员风阻耗能评估模型以线性函数形式表达，即，其中：/>为赛道分段的总个数，/>为某一赛段，/>为分段距离，/>为运动员滑行过程中所受的平均阻力，/>，/>为空气密度，/>为分段滑行距离内的平均风速，由步骤四中滑雪场风场分布函数对风速按照区段距离加权平均得到，/>为分段滑行距离内运动员的阻力系数,/>为运动员的迎风面积，则有：运动员风阻耗能公式/>。
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