抗風測試系統（風墻）分為固定式主風墻、移動式副風墻：

1.主風墻風速：2~20m/s；

2.副風墻風速：2~16m/s。

可模擬持續風、陣風、切變風、側風、對向風、街谷熱力峽谷風；配套降雨、噪聲模擬系統，完整復現風雨噪聲耦合的城市低空復雜氣象環境。

中央智能控制與數字孿生仿真軟件

1. 上位機一體化控制軟件：工況模板一鍵調用、風墻編隊可視化拖拽；

2. 內置城市風工況數據庫：峽谷風、陣風、預設程序；

3. 數據存儲、曲線導出、實驗報告自動生成；

4. 虛實結合虛擬仿真教學子系統（線上預習，線下實操）。

（一）適用試驗對象

無人機、機器狗、地面智能機器人、多機無人機集群、縮尺城市建筑模型、翼展 6m 以內飛行器、7m 直徑以下風力機組。

可開展裝備抗風性能檢測、氣動特性測試、控制系統可靠性驗證、城市低空飛行風險評估。

（二）教學實訓定位

以無人機、地面無人作戰裝備為實訓載體，圍繞無人集群自主協同作戰搭建完整實訓平臺，覆蓋航空、自動化、土木、環境、機械等多學科教學，支撐復合型無人作戰、風工程專業人才培養。

（三）風墻試驗核心研究目的

低空飛行器（多旋翼無人機、eVTOL 低空通勤飛行器）長期受陣風、建筑群繞流、地形亂流干擾，本風墻試驗核心作用：

1. 模擬強擾動氣流（風速突變、風向驟變、高強度湍流）對飛行器沖擊；

2. 測量飛行器瞬時氣動力、力矩變化（升力突變、偏航力矩劇烈波動）；

3. 評估飛行器姿態穩定性、飛控系統實時修正響應能力；

4. 驗證飛行器氣動外形、旋翼布局、抗風控制算法可靠性；

5. 城市低空物流場景：模擬樓宇亂流，優化無人機航線規劃；

6. 低空載人飛行器：復現風雨湍流，驗證極限工況飛行安全。

（四）低空風場基礎理論說明：

1. 低空風場四大核心特征

低空風場受地表摩擦、建筑、地形影響，具備強非均勻、強剪切、強間歇、強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：

? 機械成因：空氣與建筑、山丘、植被摩擦產生湍流；

? 熱力成因：白天地表受熱形成對流增強湍流，夜間冷卻抑制湍流。

城市建筑群會形成獨特城市冠層、粗糙度子層，風速衰減、湍流大幅增強，疊加城市熱島效應，進一步加劇流場復雜程度。

2. 風 - 建筑耦合流動規律

氣流遭遇建筑會形成迎風偏轉、頂部翻越、底部馬蹄渦；建筑背風區形成低壓低速高湍流尾流。

街道峽谷流態由建筑寬高比 H/W 劃分三類：

? 孤立粗糙元流（H/W≤0.35）：建筑間距大，氣流充分發展；

? 尾流干擾流（0.35＜H/W≤0.65）：相鄰建筑流場相互擾動；

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

3. 無人機低空空間限制效應

無人機近壁飛行存在三類典型干擾效應，直接影響旋翼氣動性能：

? 地面效應：靠近地面升力大幅波動；

? 側壁效應：建筑側面不對稱氣流，產生額外偏航力矩；

? 天花板效應：上方遮擋造成旋翼進氣不足，推力衰減。

4. 風墻技術原理

多風扇陣列風力發生器（FAWGs，風墻）由數百臺立調速小型軸流風機組成二維矩陣，單臺風機毫秒級獨立調速，通過中央系統協同控制，氣流下游摻混形成時空可變復雜流場。

優勢：無需改造設備即可切換任意湍流工況，試驗可重復、可追溯，可高保真復現大氣邊界層湍流，是當前無人機集群風場試驗主流設備。

5. 低空復雜風場對無人機氣動影響

? 湍流、陣風、風切變改變旋翼載荷，出現推力驟降、俯仰力矩突變；

? 建筑尾流、空間約束造成旋翼尾跡循環，氣動效率下降；

? 小型無人機自重輕、慣性小，復雜流場下極易姿態失控，是本平臺重點研究方向。

1. 低空風場特征

低空風場受到地面摩擦、城市建筑、復雜地形等多種因素影響，其流動特性具有顯著的時空非均勻性，表現出強非均勻、強剪切性、強間歇性與強非定常性的湍流特性。在城市環境中，低空風場會與建筑產生耦合效應，形成復雜的復合流動結構，并且低空風場極易受多變天氣的影響。

在風場流過地表時，會產生一個邊界層，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域內催生了各種尺度的湍流，使其空氣動力學特性與上方的自由大氣截然不同。低空湍流的生成機制主要源于機械和熱力兩種作用。機械成因主要是指空氣與粗糙地表（包括植被、建筑、山丘等）發生摩擦，從而產生湍流。熱力成因則與地表的加熱和冷卻有關。白天，地面受太陽輻射增溫，近地層空氣被加熱，產生浮力，形成不穩定的熱對流，這會顯著增強湍流的強度和范圍，而夜間地表輻射的冷卻則會抑制湍流的發展。在城市和復雜地形這兩類典型的低空環境中，湍流特性更為復雜。城市建筑群的阻礙和繞流效應會在行人高度層產生復雜的風場，并伴隨著強烈的動量混合。

低空湍流的主要特性可以從湍流強度、相干結構與渦旋以及非定常特性等方面進行描述。湍流強度是衡量風速脈動劇烈程度的指標，低空風場的湍流強度在近地層最高，并隨高度增加而減弱。在復雜地形條件下，低空風場受到山谷地帶或者建筑群的影響，會產生并維持更高強度的湍流。此外，研究發現湍流強度通常與平均風速成反比，即平均風速較低時，湍流脈動反而更為劇烈，低空風場的湍流結構是一個多尺度、層次化的復雜體系，它以發卡渦為基本構造單元，在近地表形成渦包，并不斷合并和增長，演化為貫穿整個邊界層的大尺度運動（large-scale motions，LSMs）和超大尺度運動（very-large-scale motions，VLSMs）。同時，這些結構受到地表粗糙度、復雜地形以及大氣熱力穩定度的影響，呈現多樣的形態和動力學特征。這些湍流結構，無論是小尺度的發卡渦還是大尺度的運動，均表現出顯著的非定常特征。這種非定常性意味著湍流的統計特性（如平均風速、湍流強度、雷諾應力等）以及相干結構自身的幾何形態、空間尺度和演化規律會隨時間發生顯著變化。這種非定常性使得低空風場預測和飛行器在其中的控制變得挑戰性。

1. 低空風場與地形耦合特性

低空風場，特別是近地層風速和風向的垂直結構，在建筑物密集的城市環境中會受到顯著影響。建筑物的體型、高度、布局與城市整體熱力結構共同參與了風場的擾動過程，形成了復雜的風-建筑耦合效應。

從單個建筑的尺度來看，當氣流遇到建筑物時，會在迎風面發生偏轉，一部分氣流向上翻越建筑頂部，另一部分則向下流動至地面，并在建筑根部形成一個馬蹄形渦。在建筑物的背風面，氣流發生分離，會形成一個低壓、低速且湍流波動顯著的區域，稱為尾流區。當建筑群密集排列時，個體建筑的流場相互干擾，形成了更為復雜的“街道峽谷”流動。峽谷內的流動受到峽谷寬高比、來流域街道的夾角與建筑物結構等重要參數影響，在不同的參數下會形成不同的流態，例如尾流干涉流和轉向渦旋流。Oke提出了三種典型流態：孤立粗糙元流、尾流干擾流及掠過流（如下圖所示）。當街谷較寬時（H/W≤0.35），建筑間距較大，氣流在抵達下風向建筑前有充分發展空間，呈現孤立粗糙元特征；當街谷寬度減小（0.35＜H/W≤0.65）時，受擾氣流未及充分調整便遭遇下一建筑，從而形成尾流干擾；對于深街谷（H/W＞0.65），兩渦旋合并為單一主渦旋，屋頂氣流直接掠過建筑頂部而不進入街谷內部，形成典型的掠過流。需要指出的是，在臨界區間附近（如 H/W≈0.35 或 H/W≈ 0.65），流動結構可能表現出兩種流動模式的過渡特征。從更宏觀的城市尺度來看，大量建筑物共同構成了高粗糙度的下墊面，形成了獨特的城市邊界層。與郊區相比，城市邊界層在結構上更為復雜，通常包含一個受建筑直接影響的“城市冠層”和一個位于其上方的“粗糙度子層”。在城市冠層內部，風速被顯著削弱，湍流強度增強。同時，建筑物吸收和儲存太陽輻射，加上人類活動釋放的人為熱量，形成了顯著的城市熱島效應，這會通過改變大氣的熱力穩定度，進一步與風場發生耦合作用，影響城市尺度環流的生消和發展。

1. 風墻試驗方法

多風扇陣列風力發生器（fan array wind generators，FAWGs），又稱為風墻，是目前具有發展前景的風場模擬技術之一，已經成為湍流風場模擬的有力方法。風墻是一個由大量小型、可獨立控制的風扇組成的風扇陣列，來取代傳統風洞的單一大型驅動風扇。風墻由數十個乃至上千個小型風扇單元構成一個二維矩陣。每一個風扇都配備獨立的電機和高頻響控制器，使其轉速能夠在毫秒級的時間尺度上被精確、獨立地調節。風墻的風扇陣列由一個高性能的中央計算機系統統一控制，以實現每個風扇的精確控制。每個風扇產生的氣流會在下游階段相互作用、摻混，最終形成一個宏觀上連續、動態變化的、與目標風場高度一致的復雜流場。

風墻系統依托數字化控制，可按需合成隨時間與空間變化的復雜風場：既能生成簡化的正弦陣風，也可高保真重建大氣邊界層湍流。相較于其他模擬手段，其切換風場僅需更新控制系統的數據文件，無須對試驗場地進行物理改造，顯著提升試驗效率；同時，數字化控制保證了工況設定的可追溯性與高度可重復性。

目前，已經有許多學者對風墻的風場特性進行了深入的研究。Walpen等構建了由18×9×2個獨立可控反轉風扇組成，并可以進一步拓展至36×24×2個陣列的FAWGs，實現了大氣湍流實尺度復現。Li等針對一臺10×10個獨立可控小型風扇陣列風力發生器開展了系統的氣動表征，揭示了該類裝置生成的流場呈類射流結構。Liu等搭建并表征了一臺3.25 m×3.25 m、由40×40個獨立可控反轉軸流風扇組成的風扇陣列風力發生器，用于在開放試驗段內生成可控、可重復的均勻風、陣風與剪切風。試驗結果表明此系統能夠在有限空間內高保真復現均勻、陣風及剪切風等多類風場，具有優異的模塊化擴展潛力與無人機測試應用前景。這些研究闡明了不同風墻的氣動性能，證明了風墻的巨大應用潛力，為風墻的進一步應用提供了理論基礎。

2. 低空復雜風場環境對無人機的氣動影響

無人機在低空作業時，其飛行姿態、速度和位置不可避免地會受到風場的干擾。低空大氣邊界層內的風場充滿了湍流、陣風、風切變以及由地面和建筑物引起的復雜流動，這些現象對尺寸較小、重量較輕、飛行速度較低的無人機構成了嚴峻的氣動挑戰。

風場中的氣流能夠作用于無人機的槳葉上并影響無人機的飛行性能，因此有學者對低空復雜風場下旋翼的氣動性能進行研究。Zagaglia等研究了在中等風力條件下，旋翼與簡化的長方體障礙物相互作用時旋翼的載荷變化情況，發現旋翼會受到尾流回流的影響，出現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，實現了黏性流中旋翼葉片的非定常氣動特性預測，成功捕捉了尾跡收縮、梢渦配對、渦卷起等旋翼尾跡非定常動態特征。旋翼葉片壓力系數分布與非定常氣動載荷的計算結果與實驗數據及CFD計算結果吻合良好。劉洋等研究了障礙尾流、空間約束和隨機湍流干擾場景下旋翼-環境耦合流場特征，發現空間約束引起的旋翼尾跡再循環會降低旋翼拉力，圍合度越高削弱作用越嚴重。Luo等研究了多旋翼受風場的影響，并證明了所提出的氣動模型適用于高速平飛情況。目前已經有一些研究對復雜風場下的旋翼氣動性能進行分析，但是對于其流動機理的研究仍然不足，并且缺少工程應用的延伸。

3.  低空空間限制環境及其對無人機的氣動影響

無人機在低空環境飛行，有時根據任務需求，需要在并不全開闊的空域執行任務，此時會受到來自周圍建筑墻壁、大型設施外墻或其他相似效果的遮擋。這些遮擋可以等效或簡化為壁面，改變無人機的流場，并影響其氣動性能。這些壁面主要會對無人機螺旋槳的氣動性能產生干擾。對于螺旋槳壁面效應干擾的研究，最早起源于20世紀30年代，學者們發現直升機在起飛以及降落時，旋翼會受到來自地面的強烈干擾，并將這種干擾稱為地面效應。在直升機靠近地面起降時，地面效應會使螺旋槳的升力產生極大的波動，從而使飛行器失穩，并造成墜機事故。學者們針對這一現象開展了一系列的機理與氣動模型建立的研究，在日后的直升機控制設計中很大程度上避免了事故的發生。

4. 低空空間限制環境類型

低空無人機除了受地面限制效應威脅，還會受到天花板效應、側壁效應的影響，如圖8所示，其中，FG、FC代表額外升力，τS代表額外力矩。此外，多種壁面耦合效應下還會產生更加復雜的干擾效果。這些擾動可能影響螺旋槳的進氣狀態，導致氣動效率下降、推力波動，甚至產生不對稱載荷，從而影響飛行姿態控制的穩定性與飛行安全。特別是在靠近建筑物表面飛行時，壁面誘導的地面效應和非定常氣流更易對小型多旋翼無人機造成顯著影響，加之小型無人機質量輕、穩定性弱，導致安全飛行難度高，因此對于復雜壁面干擾下旋翼氣動特性的研究意義重大。