抗风测试系统（风墙）

抗风测试系统（风墙）分为固定式主风墙、移动式副风墙：

1.主风墙风速：2~20m/s；

2.副风墙风速：2~16m/s。

可模拟持续风、阵风、切变风、侧风、对向风、街谷热力峡谷风；配套降雨、噪声模拟系统，完整复现风雨噪声耦合的城市低空复杂气象环境。

中央智能控制与数字孪生仿真软件

1. 上位机一体化控制软件：工况模板一键调用、风墙编队可视化拖拽；

2. 内置城市风工况数据库：峡谷风、阵风、预设程序；

3. 数据存储、曲线导出、实验报告自动生成；

4. 虚实结合虚拟仿真教学子系统（线上预习，线下实操）。

（一）适用试验对象

无人机、机器狗、地面智能机器人、多机无人机集群、缩尺城市建筑模型、翼展 6m 以内飞行器、7m 直径以下风力机组。

可开展装备抗风性能检测、气动特性测试、控制系统可靠性验证、城市低空飞行风险评估。

（二）教学实训定位

以无人机、地面无人作战装备为实训载体，围绕无人集群自主协同作战搭建完整实训平台，覆盖航空、自动化、土木、环境、机械等多学科教学，支撑复合型无人作战、风工程专业人才培养。

（三）风墙试验核心研究目的

低空飞行器（多旋翼无人机、eVTOL 低空通勤飞行器）长期受阵风、建筑群绕流、地形乱流干扰，本风墙试验核心作用：

1. 模拟强扰动气流（风速突变、风向骤变、高强度湍流）对飞行器冲击；

2. 测量飞行器瞬时气动力、力矩变化（升力突变、偏航力矩剧烈波动）；

3. 评估飞行器姿态稳定性、飞控系统实时修正响应能力；

4. 验证飞行器气动外形、旋翼布局、抗风控制算法可靠性；

5. 城市低空物流场景：模拟楼宇乱流，优化无人机航线规划；

6. 低空载人飞行器：复现风雨湍流，验证极限工况飞行安全。

（四）低空风场基础理论说明：

1. 低空风场四大核心特征

低空风场受地表摩擦、建筑、地形影响，具备强非均匀、强剪切、强间歇、强非定常四大湍流特性。

大气边界层（ABL）是地表直接影响的底层大气（高度几十米～1.5km），湍流生成分为两类：

Ø 机械成因：空气与建筑、山丘、植被摩擦产生湍流；

Ø 热力成因：白天地表受热形成对流增强湍流，夜间冷却抑制湍流。

城市建筑群会形成独特城市冠层、粗糙度子层，风速衰减、湍流大幅增强，叠加城市热岛效应，进一步加剧流场复杂程度。

2. 风 - 建筑耦合流动规律

气流遭遇建筑会形成迎风偏转、顶部翻越、底部马蹄涡；建筑背风区形成低压低速高湍流尾流。

街道峡谷流态由建筑宽高比 H/W 划分三类：

Ø 孤立粗糙元流（H/W≤0.35）：建筑间距大，气流充分发展；

Ø 尾流干扰流（0.35＜H/W≤0.65）：相邻建筑流场相互扰动；

Ø 掠过流（H/W＞0.65）：深街谷，屋顶气流直接掠过，内部形成单一大涡旋。

3. 无人机低空空间限制效应

无人机近壁飞行存在三类典型干扰效应，直接影响旋翼气动性能：

Ø 地面效应：靠近地面升力大幅波动；

Ø 侧壁效应：建筑侧面不对称气流，产生额外偏航力矩；

Ø 天花板效应：上方遮挡造成旋翼进气不足，推力衰减。

4. 风墙技术原理

多风扇阵列风力发生器（FAWGs，风墙）由数百台立调速小型轴流风机组成二维矩阵，单台风机毫秒级独立调速，通过中央系统协同控制，气流下游掺混形成时空可变复杂流场。

优势：无需改造设备即可切换任意湍流工况，试验可重复、可追溯，可高保真复现大气边界层湍流，是当前无人机集群风场试验主流设备。

5. 低空复杂风场对无人机气动影响

Ø 湍流、阵风、风切变改变旋翼载荷，出现推力骤降、俯仰力矩突变；

Ø 建筑尾流、空间约束造成旋翼尾迹循环，气动效率下降；

Ø 小型无人机自重轻、惯性小，复杂流场下极易姿态失控，是本平台重点研究方向。

1. 低空风场特征

低空风场受到地面摩擦、城市建筑、复杂地形等多种因素影响，其流动特性具有显著的时空非均匀性，表现出强非均匀、强剪切性、强间歇性与强非定常性的湍流特性。在城市环境中，低空风场会与建筑产生耦合效应，形成复杂的复合流动结构，并且低空风场极易受多变天气的影响。

在风场流过地表时，会产生一个边界层，即大气边界层（atmospheric boundary layer， ABL）。大气边界层是直接受地表影响的大气底层，高度从几十米到约1.5 km不等，地表摩擦、热量交换和地形地貌的共同作用在此区域内催生了各种尺度的湍流，使其空气动力学特性与上方的自由大气截然不同。低空湍流的生成机制主要源于机械和热力两种作用。机械成因主要是指空气与粗糙地表（包括植被、建筑、山丘等）发生摩擦，从而产生湍流。热力成因则与地表的加热和冷却有关。白天，地面受太阳辐射增温，近地层空气被加热，产生浮力，形成不稳定的热对流，这会显著增强湍流的强度和范围，而夜间地表辐射的冷却则会抑制湍流的发展。在城市和复杂地形这两类典型的低空环境中，湍流特性更为复杂。城市建筑群的阻碍和绕流效应会在行人高度层产生复杂的风场，并伴随着强烈的动量混合。

低空湍流的主要特性可以从湍流强度、相干结构与涡旋以及非定常特性等方面进行描述。湍流强度是衡量风速脉动剧烈程度的指标，低空风场的湍流强度在近地层最高，并随高度增加而减弱。在复杂地形条件下，低空风场受到山谷地带或者建筑群的影响，会产生并维持更高强度的湍流。此外，研究发现湍流强度通常与平均风速成反比，即平均风速较低时，湍流脉动反而更为剧烈，低空风场的湍流结构是一个多尺度、层次化的复杂体系，它以发卡涡为基本构造单元，在近地表形成涡包，并不断合并和增长，演化为贯穿整个边界层的大尺度运动（large-scale motions，LSMs）和超大尺度运动（very-large-scale motions，VLSMs）。同时，这些结构受到地表粗糙度、复杂地形以及大气热力稳定度的影响，呈现多样的形态和动力学特征。这些湍流结构，无论是小尺度的发卡涡还是大尺度的运动，均表现出显著的非定常特征。这种非定常性意味着湍流的统计特性（如平均风速、湍流强度、雷诺应力等）以及相干结构自身的几何形态、空间尺度和演化规律会随时间发生显著变化。这种非定常性使得低空风场预测和飞行器在其中的控制变得挑战性。

1. 低空风场与地形耦合特性

低空风场，特别是近地层风速和风向的垂直结构，在建筑物密集的城市环境中会受到显著影响。建筑物的体型、高度、布局与城市整体热力结构共同参与了风场的扰动过程，形成了复杂的风-建筑耦合效应。

从单个建筑的尺度来看，当气流遇到建筑物时，会在迎风面发生偏转，一部分气流向上翻越建筑顶部，另一部分则向下流动至地面，并在建筑根部形成一个马蹄形涡。在建筑物的背风面，气流发生分离，会形成一个低压、低速且湍流波动显著的区域，称为尾流区。当建筑群密集排列时，个体建筑的流场相互干扰，形成了更为复杂的“街道峡谷"流动。峡谷内的流动受到峡谷宽高比、来流域街道的夹角与建筑物结构等重要参数影响，在不同的参数下会形成不同的流态，例如尾流干涉流和转向涡旋流。Oke提出了三种典型流态：孤立粗糙元流、尾流干扰流及掠过流（如下图所示）。当街谷较宽时（H/W≤0.35），建筑间距较大，气流在抵达下风向建筑前有充分发展空间，呈现孤立粗糙元特征；当街谷宽度减小（0.35＜H/W≤0.65）时，受扰气流未及充分调整便遭遇下一建筑，从而形成尾流干扰；对于深街谷（H/W＞0.65），两涡旋合并为单一主涡旋，屋顶气流直接掠过建筑顶部而不进入街谷内部，形成典型的掠过流。需要指出的是，在临界区间附近（如 H/W≈0.35 或 H/W≈ 0.65），流动结构可能表现出两种流动模式的过渡特征。从更宏观的城市尺度来看，大量建筑物共同构成了高粗糙度的下垫面，形成了独特的城市边界层。与郊区相比，城市边界层在结构上更为复杂，通常包含一个受建筑直接影响的“城市冠层"和一个位于其上方的“粗糙度子层"。在城市冠层内部，风速被显著削弱，湍流强度增强。同时，建筑物吸收和储存太阳辐射，加上人类活动释放的人为热量，形成了显著的城市热岛效应，这会通过改变大气的热力稳定度，进一步与风场发生耦合作用，影响城市尺度环流的生消和发展。

1. 风墙试验方法

多风扇阵列风力发生器（fan array wind generators，FAWGs），又称为风墙，是目前具有发展前景的风场模拟技术之一，已经成为湍流风场模拟的有力方法。风墙是一个由大量小型、可独立控制的风扇组成的风扇阵列，来取代传统风洞的单一大型驱动风扇。风墙由数十个乃至上千个小型风扇单元构成一个二维矩阵。每一个风扇都配备独立的电机和高频响控制器，使其转速能够在毫秒级的时间尺度上被精确、独立地调节。风墙的风扇阵列由一个高性能的中央计算机系统统一控制，以实现每个风扇的精确控制。每个风扇产生的气流会在下游阶段相互作用、掺混，最终形成一个宏观上连续、动态变化的、与目标风场高度一致的复杂流场。

风墙系统依托数字化控制，可按需合成随时间与空间变化的复杂风场：既能生成简化的正弦阵风，也可高保真重建大气边界层湍流。相较于其他模拟手段，其切换风场仅需更新控制系统的数据文件，无须对试验场地进行物理改造，显著提升试验效率；同时，数字化控制保证了工况设定的可追溯性与高度可重复性。

目前，已经有许多学者对风墙的风场特性进行了深入的研究。Walpen等构建了由18×9×2个独立可控反转风扇组成，并可以进一步拓展至36×24×2个阵列的FAWGs，实现了大气湍流实尺度复现。Li等针对一台10×10个独立可控小型风扇阵列风力发生器开展了系统的气动表征，揭示了该类装置生成的流场呈类射流结构。Liu等搭建并表征了一台3.25 m×3.25 m、由40×40个独立可控反转轴流风扇组成的风扇阵列风力发生器，用于在开放试验段内生成可控、可重复的均匀风、阵风与剪切风。试验结果表明此系统能够在有限空间内高保真复现均匀、阵风及剪切风等多类风场，具有优异的模块化扩展潜力与无人机测试应用前景。这些研究阐明了不同风墙的气动性能，证明了风墙的巨大应用潜力，为风墙的进一步应用提供了理论基础。

2. 低空复杂风场环境对无人机的气动影响

无人机在低空作业时，其飞行姿态、速度和位置不可避免地会受到风场的干扰。低空大气边界层内的风场充满了湍流、阵风、风切变以及由地面和建筑物引起的复杂流动，这些现象对尺寸较小、重量较轻、飞行速度较低的无人机构成了严峻的气动挑战。

风场中的气流能够作用于无人机的桨叶上并影响无人机的飞行性能，因此有学者对低空复杂风场下旋翼的气动性能进行研究。Zagaglia等研究了在中等风力条件下，旋翼与简化的长方体障碍物相互作用时旋翼的载荷变化情况，发现旋翼会受到尾流回流的影响，出现推力下降和俯仰力矩突变。Tan等将黏性涡粒子方法与非定常面元法融合，实现了黏性流中旋翼叶片的非定常气动特性预测，成功捕捉了尾迹收缩、梢涡配对、涡卷起等旋翼尾迹非定常动态特征。旋翼叶片压力系数分布与非定常气动载荷的计算结果与实验数据及CFD计算结果吻合良好。刘洋等研究了障碍尾流、空间约束和随机湍流干扰场景下旋翼-环境耦合流场特征，发现空间约束引起的旋翼尾迹再循环会降低旋翼拉力，围合度越高削弱作用越严重。Luo等研究了多旋翼受风场的影响，并证明了所提出的气动模型适用于高速平飞情况。目前已经有一些研究对复杂风场下的旋翼气动性能进行分析，但是对于其流动机理的研究仍然不足，并且缺少工程应用的延伸。

3.  低空空间限制环境及其对无人机的气动影响

无人机在低空环境飞行，有时根据任务需求，需要在并不全开阔的空域执行任务，此时会受到来自周围建筑墙壁、大型设施外墙或其他相似效果的遮挡。这些遮挡可以等效或简化为壁面，改变无人机的流场，并影响其气动性能。这些壁面主要会对无人机螺旋桨的气动性能产生干扰。对于螺旋桨壁面效应干扰的研究，最早起源于20世纪30年代，学者们发现直升机在起飞以及降落时，旋翼会受到来自地面的强烈干扰，并将这种干扰称为地面效应。在直升机靠近地面起降时，地面效应会使螺旋桨的升力产生极大的波动，从而使飞行器失稳，并造成坠机事故。学者们针对这一现象开展了一系列的机理与气动模型建立的研究，在日后的直升机控制设计中很大程度上避免了事故的发生。

4. 低空空间限制环境类型

低空无人机除了受地面限制效应威胁，还会受到天花板效应、侧壁效应的影响，如图8所示，其中，FG、FC代表额外升力，τS代表额外力矩。此外，多种壁面耦合效应下还会产生更加复杂的干扰效果。这些扰动可能影响螺旋桨的进气状态，导致气动效率下降、推力波动，甚至产生不对称载荷，从而影响飞行姿态控制的稳定性与飞行安全。特别是在靠近建筑物表面飞行时，壁面诱导的地面效应和非定常气流更易对小型多旋翼无人机造成显著影响，加之小型无人机质量轻、稳定性弱，导致安全飞行难度高，因此对于复杂壁面干扰下旋翼气动特性的研究意义重大。