“大雪花”为什么不晃？北京冬奥会的风洞试验

原创苏有鹏南方周末

▲ 2022年2月4日，2022北京冬奥会开幕式上的“大雪花”。（视觉中国/图）

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对于车橇类项目，假如减少10%的空气阻力，运动员的成绩就能够提高1%，在2018年平昌冬奥会的钢架雪车项目中，男子第一名和第六名的成绩差距仅仅只有1.2%。
截至2022年1月4日的统计数据，对392名运动员，开展了2504人次的风洞测试与训练。
如果比赛当天风太大，会影响运动员地安全，比赛可能会被取消，之前平昌冬奥会男子滑降比赛就因为大风推迟了

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文｜南方周末记者苏有鹏

南方周末实习生冯佳琪

责任编辑｜吴筱羽

2022年2月4日晚，北京，鸟巢。96朵标志着参赛国家代表团的“小雪花”互相连接，六条橄榄枝将它们包围，变成了一个“大雪花”。这是2022年北京冬奥会的主火炬台。

“大雪花”直径达14.89米，本身是一个采用双面镂空设计的LED屏幕，嵌有55万余颗灯珠。它倾斜于地面45度，与正上方的奥运冰雪五环相呼应。

随着地台升起，两名火炬手出现在雪花正中，把手中的火炬插入雪花之中。雪花慢慢升起，悬挂在鸟巢的上空。就这样，点火仪式完成了。

缓缓升起的雪花在北京的寒风中稳稳当当，这背后有来自北京交通大学风洞实验室的技术。

实验室主任李波介绍，为了保密，这朵“大雪花”的代号为“风车”。2018年，李波带领团队成员开始投入到北京冬奥会场馆的建设和运动队的风洞测试与训练中，除此之外，他们还承担了开幕式抗风设计这项“秘密工作”。

北京交通大学风洞实验室成立于2011年，由土木建筑工程学院师生共同组成，共有30余人。2021年7月，北京交通大学被国家体育局授予“中国冰雪科技联合攻关单位”，李波也被评为“中国冰雪科学家”。

风洞是空气动力学研究的主要装置。风洞中有一个风扇，风扇转动产生气流，通过人为控制气流，模拟不同环境。在此基础上测试气流对冬奥场馆、运动员的影响，这就是李波团队所从事的风洞实验研究。

2018年之前，风洞技术主要应用于航空航天、载运工具和土木工程领域。直到2018年下半年，李波团队协助国家体育总局建立专业体育风洞集群，开始将风洞技术引入体育领域。

李波曾在接受央视新闻记者采访时表示，对于冰雪项目来说，主要受到的阻力来自空气阻力和地面摩擦力，对于车橇类项目，假如减少10%的空气阻力，运动员的成绩就能够提高1%，在2018年平昌冬奥会的钢架雪车项目中，男子第一名和第六名的成绩差距仅仅只有1.2%。通过风洞测试，李波可以对运动员比赛时的姿态、多人项目的队列进行减阻优化。

中国短道速滑队风洞训练。（受访者供图/图）

李波向南方周末记者介绍，中国短道速滑队夺得中国代表团首金，中国男子雪橇运动员范铎耀进入男子单人雪橇第三轮。这些成绩的取得，都与团队负责的风洞测试与训练相关。

目前，李波团队已负责完成了冬奥会项目十余支国家集训队的风洞测试与训练。

2022年2日5日，李波接受了南方周末记者专访。

北京冬奥会男子单人雪橇选手范铎耀在进行风洞测试。（受访者供图/图）

把大雪花称作“风车”

南方周末：在冬奥会主火炬大雪花装置的设计中，你们主要负责哪些工作？

李波：张艺谋团队负责创意，中国航天集团负责主火炬的设计，我们主要来评估这些创意在风的影响下能否实现，用什么办法能实现。特别是引发大量关注的雪花设计，我们会去评估现场的风有多大、大雪花晃动数据是多少，而这些正是点火仪式能否顺利完成的关键。

在前期工作中，大雪花的模型一直在修改，持续到施工阶段。设计团队提供一个模型，我们为模型进行风力风速的测试，再把结果反馈给他们，看看方案可不可以实行。这是一个反复沟通的过程，我们配合设计团队做过的大雪花风振分析有好几版，但具体几个已经记不清了。

南方周末：风力的大小会影响开幕式的点火环节吗？

李波：会，有了雪花的模型之后，我们需要考虑火炬手能否把火炬插入大雪花？大雪花在升起、旋转过程中晃动有多大？。

最开始，大雪花下面是没有地台支撑的，直接在鸟巢顶部用两根拉索把大雪花吊起呈倾斜状态，火炬手把火炬插入大雪花，然后继续提升呈竖直状态，再边旋转边上升。雪花距离鸟巢顶部有五十多米，如果采用悬挂方案，整个雪花就像是一个大摆锤，有风的时候，摆幅可能有一到两米，这种情况火炬手根本没有办法把火炬插进雪花中心，点火的环节就进行不下去了。我们的分析结果一出，设计团队就下定决心改方案。这就有了大家看到的，“地台支撑+悬挂”的方案，在大雪花下面设置四个支杆，通过支撑顶升让大雪花呈倾斜状态，在风中也能保持稳定，让火炬手将火炬顺利插入。

南方周末：你们是如何对雪花装置进行风速风向的测试？

李波：现场可能出现多大的风，是一个关键技术难题。能够解决这一难题与我们团队的积累密切相关。自2013年开始，我们一直在对北京中心城区的风速风向进行连续监测，这些基础性工作鲜有团队愿意去做。巧的是，监测点离鸟巢不到3公里。正是利用这些风速记录，我们对鸟巢在冬奥会开幕式期间的局地风气候进行了评估。

即便如此，我们最终要得到的是鸟巢内部大雪花所在区域的风速风向，局地风气候是还不够。

风受到鸟巢整个建筑体型的影响，比如建筑物角落的风明显会大，建筑物背面的风会明显会小。所以，除了气象数据之外，我们还需要制作一个鸟巢的模型，把建筑物不同区域的风和整体的气象风结合起来，最后通过风洞试验，把不同的重点区域的风量测出来。

鸟巢风洞试验模型。（受访者供图/图）

大雪花形体十分复杂，在开幕式中还要进行翻转、升起以及旋转，只有设计制作出高保真的缩尺模型才能准确测量得到大雪花在不同状态受到的风力。刚开始，我们用塑料进行3D打印，但塑料模型质地轻薄，太柔了，无法进行模型搭建，后来又用铝合金的材料，打印出了一个金属的3D模型，效果非常好。

大雪花缩尺模型风洞试验现场。（受访者供图/图）

南方周末：开幕式的前期设计是保密工作，你们对雪花装置的测试工作是如何保密的？

李波：知道的人越少越好。我们团队只有五个人参与进来，三个老师、两个研究生。每次试验完成之后，所有材料、图纸都要藏起来，因为我们的模型做得太精细了，橄榄枝、小雪花在模型上都有，就连国家名牌我们也都已经做上去了，只是上面没有字，不知道是哪个国家的名牌。

其次是交流（保密），我们把大雪花称作“风车”，对“风车”的交流也局限在我们这五个人之间，而且和设计团队也都是面对面交流，不能通过网络传递。

提升比赛如期举行概率

南方周末：除了雪花装置的抗风设计，在冬奥会上你们还贡献了哪些智慧？

李波：办赛精彩、参赛出彩是北京冬奥会的目标。在办赛方面，我们负责了建设难度最大的延庆赛区抗风咨询和风环境评估；在参赛方面，我们协助国家体育总局建设了体育专业风洞，负责完成了十余支国家队的风洞测试和训练。

南方周末：你们团队目前已经对多少运动员进行了风洞测试训练？

李波：2020年10月25日，我们协助建设的二七厂科训基地体育综合风洞正式启用，建完之后，我们团队就承担了这座风洞的中国队运动员的测试和训练任务，在这个风洞启用前我们也零零散散也做过一些测试，大规模的测试则是在启用后开始的。

截至2022年1月4日的统计数据，我们对392名运动员，开展了2504人次的风洞测试与训练。

南方周末：在冬奥会比赛过程中，利用风洞实验得到的数据有哪些其他用途？

李波：将风洞试验与气象数据相结合得到的赛时风环境数据有几种不同的用途，例如鸟巢的数据可以帮助雪花装置升起。对于首钢大跳台、自由式滑雪空中技巧、U型场地等，这些中国队夺金的重点项目，我们把数据提交给北京冬奥会中国代表团，让他们进行有针对性的备战。

自由式滑雪空中技巧赛道风洞试验。（受访者供图/图）

对于延庆赛区的高山滑雪中心，我们主要是为了保证比赛的顺利进行。延庆赛区位于北京西北部小海陀山，赛区包括两个竞赛场馆，分别为国家高山滑雪中心和国家雪车雪橇中心，冬季极端风速可达40米/秒，如果比赛当天风太大，会影响运动员地安全，比赛可能会被取消，之前平昌冬奥会男子滑降比赛就因为大风推迟了。所以，这次我们又在延庆赛区高山滑雪中心滑降赛道出发区设计了挡风墙。这些工作将高山滑雪滑降比赛能够如期举行的概率提升至90%以上。

南方周末：北京交通大学曾经发文称，2008年你就已经跟着导师参与了北京夏季奥运会场馆的抗风设计，从抗风设计角度来说，你觉得这次冬奥会最大的改变是什么？

李波：是的。那时风洞试验对体育场馆来说还是个新的技术，很少人做过。现在，基本所有形体复杂一点的建筑，都要通过风洞试验来进行抗风设计，已经成了标准化的流程。

北京2008年奥运会时，我们只是强调安全问题，保证建筑结构的安全。现在已经不仅仅是安全的问题了。比如说，这次非常有创意的开幕式点火环节，两个火炬手直接将火炬插入雪花装置里，完成点火。在前期设计的时候我看到了开闭幕式点火的动画，这是一种前所未有的点火方式，但当时这个点火方式能不能得到国际奥委会的认可都是个问题。

所以在抗风设计的时候，我们主要考虑了点火的功能能否实现，以及如何控制雪花的摆动，让它顺利升起来、转起来。安全是最基本的问题，其他功能性要求比安全的要求更高。

另外，我们现在还进行了场馆设计对运动员发挥的评估，例如对比赛时的环境风进行评估，让运动员提高环境的应变能力，帮助运动员提高成绩。

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