抗風(fēng)測(cè)試系統(tǒng)（風(fēng)墻）分為固定式主風(fēng)墻、移動(dòng)式副風(fēng)墻：

1.主風(fēng)墻風(fēng)速：2~20m/s；

2.副風(fēng)墻風(fēng)速：2~16m/s。

可模擬持續(xù)風(fēng)、陣風(fēng)、切變風(fēng)、側(cè)風(fēng)、對(duì)向風(fēng)、街谷熱力峽谷風(fēng)；配套降雨、噪聲模擬系統(tǒng)，完整復(fù)現(xiàn)風(fēng)雨噪聲耦合的城市低空復(fù)雜氣象環(huán)境。

中央智能控制與數(shù)字孿生仿真軟件

1. 上位機(jī)一體化控制軟件：工況模板一鍵調(diào)用、風(fēng)墻編隊(duì)可視化拖拽；

2. 內(nèi)置城市風(fēng)工況數(shù)據(jù)庫(kù)：峽谷風(fēng)、陣風(fēng)、預(yù)設(shè)程序；

3. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、曲線導(dǎo)出、實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成；

4. 虛實(shí)結(jié)合虛擬仿真教學(xué)子系統(tǒng)（線上預(yù)習(xí)，線下實(shí)操）。

（一）適用試驗(yàn)對(duì)象

無(wú)人機(jī)、機(jī)器狗、地面智能機(jī)器人、多機(jī)無(wú)人機(jī)集群、縮尺城市建筑模型、翼展 6m 以內(nèi)飛行器、7m 直徑以下風(fēng)力機(jī)組。

可開(kāi)展裝備抗風(fēng)性能檢測(cè)、氣動(dòng)特性測(cè)試、控制系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證、城市低空飛行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

（二）教學(xué)實(shí)訓(xùn)定位

以無(wú)人機(jī)、地面無(wú)人作戰(zhàn)裝備為實(shí)訓(xùn)載體，圍繞無(wú)人集群自主協(xié)同作戰(zhàn)搭建完整實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，覆蓋航空、自動(dòng)化、土木、環(huán)境、機(jī)械等多學(xué)科教學(xué)，支撐復(fù)合型無(wú)人作戰(zhàn)、風(fēng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)。

（三）風(fēng)墻試驗(yàn)核心研究目的

低空飛行器（多旋翼無(wú)人機(jī)、eVTOL 低空通勤飛行器）長(zhǎng)期受陣風(fēng)、建筑群繞流、地形亂流干擾，本風(fēng)墻試驗(yàn)核心作用：

1. 模擬強(qiáng)擾動(dòng)氣流（風(fēng)速突變、風(fēng)向驟變、高強(qiáng)度湍流）對(duì)飛行器沖擊；

2. 測(cè)量飛行器瞬時(shí)氣動(dòng)力、力矩變化（升力突變、偏航力矩劇烈波動(dòng)）；

3. 評(píng)估飛行器姿態(tài)穩(wěn)定性、飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)修正響應(yīng)能力；

4. 驗(yàn)證飛行器氣動(dòng)外形、旋翼布局、抗風(fēng)控制算法可靠性；

5. 城市低空物流場(chǎng)景：模擬樓宇亂流，優(yōu)化無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃；

6. 低空載人飛行器：復(fù)現(xiàn)風(fēng)雨湍流，驗(yàn)證極限工況飛行安全。

（四）低空風(fēng)場(chǎng)基礎(chǔ)理論說(shuō)明：

1. 低空風(fēng)場(chǎng)四大核心特征

低空風(fēng)場(chǎng)受地表摩擦、建筑、地形影響，具備強(qiáng)非均勻、強(qiáng)剪切、強(qiáng)間歇、強(qiáng)非定常四大湍流特性。

大氣邊界層（ABL）是地表直接影響的底層大氣（高度幾十米～1.5km），湍流生成分為兩類：

? 機(jī)械成因：空氣與建筑、山丘、植被摩擦產(chǎn)生湍流；

? 熱力成因：白天地表受熱形成對(duì)流增強(qiáng)湍流，夜間冷卻抑制湍流。

城市建筑群會(huì)形成獨(dú)特城市冠層、粗糙度子層，風(fēng)速衰減、湍流大幅增強(qiáng)，疊加城市熱島效應(yīng)，進(jìn)一步加劇流場(chǎng)復(fù)雜程度。

2. 風(fēng) - 建筑耦合流動(dòng)規(guī)律

氣流遭遇建筑會(huì)形成迎風(fēng)偏轉(zhuǎn)、頂部翻越、底部馬蹄渦；建筑背風(fēng)區(qū)形成低壓低速高湍流尾流。

街道峽谷流態(tài)由建筑寬高比 H/W 劃分三類：

? 孤立粗糙元流（H/W≤0.35）：建筑間距大，氣流充分發(fā)展；

? 尾流干擾流（0.35＜H/W≤0.65）：相鄰建筑流場(chǎng)相互擾動(dòng)；

? 掠過(guò)流（H/W＞0.65）：深街谷，屋頂氣流直接掠過(guò)，內(nèi)部形成單一大渦旋。

3. 無(wú)人機(jī)低空空間限制效應(yīng)

無(wú)人機(jī)近壁飛行存在三類典型干擾效應(yīng)，直接影響旋翼氣動(dòng)性能：

? 地面效應(yīng)：靠近地面升力大幅波動(dòng)；

? 側(cè)壁效應(yīng)：建筑側(cè)面不對(duì)稱氣流，產(chǎn)生額外偏航力矩；

? 天花板效應(yīng)：上方遮擋造成旋翼進(jìn)氣不足，推力衰減。

4. 風(fēng)墻技術(shù)原理

多風(fēng)扇陣列風(fēng)力發(fā)生器（FAWGs，風(fēng)墻）由數(shù)百臺(tái)立調(diào)速小型軸流風(fēng)機(jī)組成二維矩陣，單臺(tái)風(fēng)機(jī)毫秒級(jí)獨(dú)立調(diào)速，通過(guò)中央系統(tǒng)協(xié)同控制，氣流下游摻混形成時(shí)空可變復(fù)雜流場(chǎng)。

優(yōu)勢(shì)：無(wú)需改造設(shè)備即可切換任意湍流工況，試驗(yàn)可重復(fù)、可追溯，可高保真復(fù)現(xiàn)大氣邊界層湍流，是當(dāng)前無(wú)人機(jī)集群風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)主流設(shè)備。

5. 低空復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)氣動(dòng)影響

? 湍流、陣風(fēng)、風(fēng)切變改變旋翼載荷，出現(xiàn)推力驟降、俯仰力矩突變；

? 建筑尾流、空間約束造成旋翼尾跡循環(huán)，氣動(dòng)效率下降；

? 小型無(wú)人機(jī)自重輕、慣性小，復(fù)雜流場(chǎng)下極易姿態(tài)失控，是本平臺(tái)重點(diǎn)研究方向。

1. 低空風(fēng)場(chǎng)特征

低空風(fēng)場(chǎng)受到地面摩擦、城市建筑、復(fù)雜地形等多種因素影響，其流動(dòng)特性具有顯著的時(shí)空非均勻性，表現(xiàn)出強(qiáng)非均勻、強(qiáng)剪切性、強(qiáng)間歇性與強(qiáng)非定常性的湍流特性。在城市環(huán)境中，低空風(fēng)場(chǎng)會(huì)與建筑產(chǎn)生耦合效應(yīng)，形成復(fù)雜的復(fù)合流動(dòng)結(jié)構(gòu)，并且低空風(fēng)場(chǎng)極易受多變天氣的影響。

在風(fēng)場(chǎng)流過(guò)地表時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)邊界層，即大氣邊界層（atmospheric boundary layer， ABL）。大氣邊界層是直接受地表影響的大氣底層，高度從幾十米到約1.5 km不等，地表摩擦、熱量交換和地形地貌的共同作用在此區(qū)域內(nèi)催生了各種尺度的湍流，使其空氣動(dòng)力學(xué)特性與上方的自由大氣截然不同。低空湍流的生成機(jī)制主要源于機(jī)械和熱力兩種作用。機(jī)械成因主要是指空氣與粗糙地表（包括植被、建筑、山丘等）發(fā)生摩擦，從而產(chǎn)生湍流。熱力成因則與地表的加熱和冷卻有關(guān)。白天，地面受太陽(yáng)輻射增溫，近地層空氣被加熱，產(chǎn)生浮力，形成不穩(wěn)定的熱對(duì)流，這會(huì)顯著增強(qiáng)湍流的強(qiáng)度和范圍，而夜間地表輻射的冷卻則會(huì)抑制湍流的發(fā)展。在城市和復(fù)雜地形這兩類典型的低空環(huán)境中，湍流特性更為復(fù)雜。城市建筑群的阻礙和繞流效應(yīng)會(huì)在行人高度層產(chǎn)生復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)，并伴隨著強(qiáng)烈的動(dòng)量混合。

低空湍流的主要特性可以從湍流強(qiáng)度、相干結(jié)構(gòu)與渦旋以及非定常特性等方面進(jìn)行描述。湍流強(qiáng)度是衡量風(fēng)速脈動(dòng)劇烈程度的指標(biāo)，低空風(fēng)場(chǎng)的湍流強(qiáng)度在近地層最高，并隨高度增加而減弱。在復(fù)雜地形條件下，低空風(fēng)場(chǎng)受到山谷地帶或者建筑群的影響，會(huì)產(chǎn)生并維持更高強(qiáng)度的湍流。此外，研究發(fā)現(xiàn)湍流強(qiáng)度通常與平均風(fēng)速成反比，即平均風(fēng)速較低時(shí)，湍流脈動(dòng)反而更為劇烈，低空風(fēng)場(chǎng)的湍流結(jié)構(gòu)是一個(gè)多尺度、層次化的復(fù)雜體系，它以發(fā)卡渦為基本構(gòu)造單元，在近地表形成渦包，并不斷合并和增長(zhǎng)，演化為貫穿整個(gè)邊界層的大尺度運(yùn)動(dòng)（large-scale motions，LSMs）和超大尺度運(yùn)動(dòng)（very-large-scale motions，VLSMs）。同時(shí)，這些結(jié)構(gòu)受到地表粗糙度、復(fù)雜地形以及大氣熱力穩(wěn)定度的影響，呈現(xiàn)多樣的形態(tài)和動(dòng)力學(xué)特征。這些湍流結(jié)構(gòu)，無(wú)論是小尺度的發(fā)卡渦還是大尺度的運(yùn)動(dòng)，均表現(xiàn)出顯著的非定常特征。這種非定常性意味著湍流的統(tǒng)計(jì)特性（如平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力等）以及相干結(jié)構(gòu)自身的幾何形態(tài)、空間尺度和演化規(guī)律會(huì)隨時(shí)間發(fā)生顯著變化。這種非定常性使得低空風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)和飛行器在其中的控制變得挑戰(zhàn)性。

1. 低空風(fēng)場(chǎng)與地形耦合特性

低空風(fēng)場(chǎng)，特別是近地層風(fēng)速和風(fēng)向的垂直結(jié)構(gòu)，在建筑物密集的城市環(huán)境中會(huì)受到顯著影響。建筑物的體型、高度、布局與城市整體熱力結(jié)構(gòu)共同參與了風(fēng)場(chǎng)的擾動(dòng)過(guò)程，形成了復(fù)雜的風(fēng)-建筑耦合效應(yīng)。

從單個(gè)建筑的尺度來(lái)看，當(dāng)氣流遇到建筑物時(shí)，會(huì)在迎風(fēng)面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，一部分氣流向上翻越建筑頂部，另一部分則向下流動(dòng)至地面，并在建筑根部形成一個(gè)馬蹄形渦。在建筑物的背風(fēng)面，氣流發(fā)生分離，會(huì)形成一個(gè)低壓、低速且湍流波動(dòng)顯著的區(qū)域，稱為尾流區(qū)。當(dāng)建筑群密集排列時(shí)，個(gè)體建筑的流場(chǎng)相互干擾，形成了更為復(fù)雜的“街道峽谷"流動(dòng)。峽谷內(nèi)的流動(dòng)受到峽谷寬高比、來(lái)流域街道的夾角與建筑物結(jié)構(gòu)等重要參數(shù)影響，在不同的參數(shù)下會(huì)形成不同的流態(tài)，例如尾流干涉流和轉(zhuǎn)向渦旋流。Oke提出了三種典型流態(tài)：孤立粗糙元流、尾流干擾流及掠過(guò)流（如下圖所示）。當(dāng)街谷較寬時(shí)（H/W≤0.35），建筑間距較大，氣流在抵達(dá)下風(fēng)向建筑前有充分發(fā)展空間，呈現(xiàn)孤立粗糙元特征；當(dāng)街谷寬度減小（0.35＜H/W≤0.65）時(shí)，受擾氣流未及充分調(diào)整便遭遇下一建筑，從而形成尾流干擾；對(duì)于深街谷（H/W＞0.65），兩渦旋合并為單一主渦旋，屋頂氣流直接掠過(guò)建筑頂部而不進(jìn)入街谷內(nèi)部，形成典型的掠過(guò)流。需要指出的是，在臨界區(qū)間附近（如 H/W≈0.35 或 H/W≈ 0.65），流動(dòng)結(jié)構(gòu)可能表現(xiàn)出兩種流動(dòng)模式的過(guò)渡特征。從更宏觀的城市尺度來(lái)看，大量建筑物共同構(gòu)成了高粗糙度的下墊面，形成了獨(dú)特的城市邊界層。與郊區(qū)相比，城市邊界層在結(jié)構(gòu)上更為復(fù)雜，通常包含一個(gè)受建筑直接影響的“城市冠層"和一個(gè)位于其上方的“粗糙度子層"。在城市冠層內(nèi)部，風(fēng)速被顯著削弱，湍流強(qiáng)度增強(qiáng)。同時(shí)，建筑物吸收和儲(chǔ)存太陽(yáng)輻射，加上人類活動(dòng)釋放的人為熱量，形成了顯著的城市熱島效應(yīng)，這會(huì)通過(guò)改變大氣的熱力穩(wěn)定度，進(jìn)一步與風(fēng)場(chǎng)發(fā)生耦合作用，影響城市尺度環(huán)流的生消和發(fā)展。

1. 風(fēng)墻試驗(yàn)方法

多風(fēng)扇陣列風(fēng)力發(fā)生器（fan array wind generators，FAWGs），又稱為風(fēng)墻，是目前具有發(fā)展前景的風(fēng)場(chǎng)模擬技術(shù)之一，已經(jīng)成為湍流風(fēng)場(chǎng)模擬的有力方法。風(fēng)墻是一個(gè)由大量小型、可獨(dú)立控制的風(fēng)扇組成的風(fēng)扇陣列，來(lái)取代傳統(tǒng)風(fēng)洞的單一大型驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。風(fēng)墻由數(shù)十個(gè)乃至上千個(gè)小型風(fēng)扇單元構(gòu)成一個(gè)二維矩陣。每一個(gè)風(fēng)扇都配備獨(dú)立的電機(jī)和高頻響控制器，使其轉(zhuǎn)速能夠在毫秒級(jí)的時(shí)間尺度上被精確、獨(dú)立地調(diào)節(jié)。風(fēng)墻的風(fēng)扇陣列由一個(gè)高性能的中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)一控制，以實(shí)現(xiàn)每個(gè)風(fēng)扇的精確控制。每個(gè)風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流會(huì)在下游階段相互作用、摻混，最終形成一個(gè)宏觀上連續(xù)、動(dòng)態(tài)變化的、與目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)高度一致的復(fù)雜流場(chǎng)。

風(fēng)墻系統(tǒng)依托數(shù)字化控制，可按需合成隨時(shí)間與空間變化的復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)：既能生成簡(jiǎn)化的正弦陣風(fēng)，也可高保真重建大氣邊界層湍流。相較于其他模擬手段，其切換風(fēng)場(chǎng)僅需更新控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件，無(wú)須對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行物理改造，顯著提升試驗(yàn)效率；同時(shí)，數(shù)字化控制保證了工況設(shè)定的可追溯性與高度可重復(fù)性。

目前，已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)風(fēng)墻的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了深入的研究。Walpen等構(gòu)建了由18×9×2個(gè)獨(dú)立可控反轉(zhuǎn)風(fēng)扇組成，并可以進(jìn)一步拓展至36×24×2個(gè)陣列的FAWGs，實(shí)現(xiàn)了大氣湍流實(shí)尺度復(fù)現(xiàn)。Li等針對(duì)一臺(tái)10×10個(gè)獨(dú)立可控小型風(fēng)扇陣列風(fēng)力發(fā)生器開(kāi)展了系統(tǒng)的氣動(dòng)表征，揭示了該類裝置生成的流場(chǎng)呈類射流結(jié)構(gòu)。Liu等搭建并表征了一臺(tái)3.25 m×3.25 m、由40×40個(gè)獨(dú)立可控反轉(zhuǎn)軸流風(fēng)扇組成的風(fēng)扇陣列風(fēng)力發(fā)生器，用于在開(kāi)放試驗(yàn)段內(nèi)生成可控、可重復(fù)的均勻風(fēng)、陣風(fēng)與剪切風(fēng)。試驗(yàn)結(jié)果表明此系統(tǒng)能夠在有限空間內(nèi)高保真復(fù)現(xiàn)均勻、陣風(fēng)及剪切風(fēng)等多類風(fēng)場(chǎng)，具有優(yōu)異的模塊化擴(kuò)展?jié)摿εc無(wú)人機(jī)測(cè)試應(yīng)用前景。這些研究闡明了不同風(fēng)墻的氣動(dòng)性能，證明了風(fēng)墻的巨大應(yīng)用潛力，為風(fēng)墻的進(jìn)一步應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

2. 低空復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)環(huán)境對(duì)無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)影響

無(wú)人機(jī)在低空作業(yè)時(shí)，其飛行姿態(tài)、速度和位置不可避免地會(huì)受到風(fēng)場(chǎng)的干擾。低空大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)充滿了湍流、陣風(fēng)、風(fēng)切變以及由地面和建筑物引起的復(fù)雜流動(dòng)，這些現(xiàn)象對(duì)尺寸較小、重量較輕、飛行速度較低的無(wú)人機(jī)構(gòu)成了嚴(yán)峻的氣動(dòng)挑戰(zhàn)。

風(fēng)場(chǎng)中的氣流能夠作用于無(wú)人機(jī)的槳葉上并影響無(wú)人機(jī)的飛行性能，因此有學(xué)者對(duì)低空復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)下旋翼的氣動(dòng)性能進(jìn)行研究。Zagaglia等研究了在中等風(fēng)力條件下，旋翼與簡(jiǎn)化的長(zhǎng)方體障礙物相互作用時(shí)旋翼的載荷變化情況，發(fā)現(xiàn)旋翼會(huì)受到尾流回流的影響，出現(xiàn)推力下降和俯仰力矩突變。Tan等將黏性渦粒子方法與非定常面元法融合，實(shí)現(xiàn)了黏性流中旋翼葉片的非定常氣動(dòng)特性預(yù)測(cè)，成功捕捉了尾跡收縮、梢渦配對(duì)、渦卷起等旋翼尾跡非定常動(dòng)態(tài)特征。旋翼葉片壓力系數(shù)分布與非定常氣動(dòng)載荷的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及CFD計(jì)算結(jié)果吻合良好。劉洋等研究了障礙尾流、空間約束和隨機(jī)湍流干擾場(chǎng)景下旋翼-環(huán)境耦合流場(chǎng)特征，發(fā)現(xiàn)空間約束引起的旋翼尾跡再循環(huán)會(huì)降低旋翼拉力，圍合度越高削弱作用越嚴(yán)重。Luo等研究了多旋翼受風(fēng)場(chǎng)的影響，并證明了所提出的氣動(dòng)模型適用于高速平飛情況。目前已經(jīng)有一些研究對(duì)復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)下的旋翼氣動(dòng)性能進(jìn)行分析，但是對(duì)于其流動(dòng)機(jī)理的研究仍然不足，并且缺少工程應(yīng)用的延伸。

3.  低空空間限制環(huán)境及其對(duì)無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)影響

無(wú)人機(jī)在低空環(huán)境飛行，有時(shí)根據(jù)任務(wù)需求，需要在并不全開(kāi)闊的空域執(zhí)行任務(wù)，此時(shí)會(huì)受到來(lái)自周圍建筑墻壁、大型設(shè)施外墻或其他相似效果的遮擋。這些遮擋可以等效或簡(jiǎn)化為壁面，改變無(wú)人機(jī)的流場(chǎng)，并影響其氣動(dòng)性能。這些壁面主要會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)螺旋槳的氣動(dòng)性能產(chǎn)生干擾。對(duì)于螺旋槳壁面效應(yīng)干擾的研究，最早起源于20世紀(jì)30年代，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)直升機(jī)在起飛以及降落時(shí)，旋翼會(huì)受到來(lái)自地面的強(qiáng)烈干擾，并將這種干擾稱為地面效應(yīng)。在直升機(jī)靠近地面起降時(shí)，地面效應(yīng)會(huì)使螺旋槳的升力產(chǎn)生極大的波動(dòng)，從而使飛行器失穩(wěn)，并造成墜機(jī)事故。學(xué)者們針對(duì)這一現(xiàn)象開(kāi)展了一系列的機(jī)理與氣動(dòng)模型建立的研究，在日后的直升機(jī)控制設(shè)計(jì)中很大程度上避免了事故的發(fā)生。

4. 低空空間限制環(huán)境類型

低空無(wú)人機(jī)除了受地面限制效應(yīng)威脅，還會(huì)受到天花板效應(yīng)、側(cè)壁效應(yīng)的影響，如圖8所示，其中，FG、FC代表額外升力，τS代表額外力矩。此外，多種壁面耦合效應(yīng)下還會(huì)產(chǎn)生更加復(fù)雜的干擾效果。這些擾動(dòng)可能影響螺旋槳的進(jìn)氣狀態(tài)，導(dǎo)致氣動(dòng)效率下降、推力波動(dòng)，甚至產(chǎn)生不對(duì)稱載荷，從而影響飛行姿態(tài)控制的穩(wěn)定性與飛行安全。特別是在靠近建筑物表面飛行時(shí)，壁面誘導(dǎo)的地面效應(yīng)和非定常氣流更易對(duì)小型多旋翼無(wú)人機(jī)造成顯著影響，加之小型無(wú)人機(jī)質(zhì)量輕、穩(wěn)定性弱，導(dǎo)致安全飛行難度高，因此對(duì)于復(fù)雜壁面干擾下旋翼氣動(dòng)特性的研究意義重大。