低空经济的“地面实验室”：低空风洞的功能、类型与建设全景

低空风洞是一种专门用于模拟低空复杂环境的风洞装置，主要用于测试和研究低空飞行器（如无人机、电动垂直起降飞行器等）在3000米以下区域飞行时的气动特性、飞控性能和安全性能。这种风洞装置能够高精度复现城市峡谷风场、热岛效应、风切变、下击暴流等城市典型风场及极端气象，为飞行器安全性边界划定提供科学支撑。

低空一般指距离地面较近的大气层空间，通常为离地面几十米到几千米的范围。低空风洞就是能够在这个高度范围内，模拟低空大气环境中气流特性的风洞试验装置，通过人工产生可控的稳定气流，复现低空区域典型的风速、湍流强度、风切变、边界层结构、强剪切、复杂地形影响等空气动力学条件，用于研究飞行器（如无人机、直升机、eVTOL）、地面车辆、建筑物或人体在低空复杂气流环境中的气动性能、稳定性与安全性。该风洞特别适用于测试在城市空域、山区、海面、森林等近地环境中运行的飞行器，是低空经济（如城市空中交通UAM、物流无人机）发展的重要地面试验基础设施。简要概括：低空风洞是“模拟贴近地面飞行环境”的专用风洞，用于研究飞行器在城市、山区等复杂低空气流中的行为。

主要功能与目的

•模拟低空典型风场特征：如风速梯度、湍流谱、阵风、尾流干扰、地面效应；

•研究飞行器在低空环境下的：

•气动特性（升力、阻力、力矩）

•飞行稳定性与操纵响应

•抗风扰能力与自动控制算法验证

•评估多旋翼无人机、eVTOL（电动垂直起降飞行器）、直升机在城市峡谷、高楼间、起降阶段的气动干扰；

•支持新型飞行器设计、飞控系统优化、适航认证与安全评估。

低空风洞的关键特点：

1. 多方向气流模拟：与传统只能模拟单一方向气流的风洞不同，低空风洞可以模拟多方向的气流，包括风切变、下击暴流等复杂风场。

2. 高精度控制：低空风洞能够精准控制风速、风向和其他气象条件，实现对低空复杂环境的高精度复现

3. 集成多种气象环境：低空风洞可以集成雨雪、积冰冻雨、湿热、高低温、太阳辐照等多种气象环境因素，实现城市低空环境全要素模拟。

4. 支持多种飞行姿态测试：低空风洞可以支持垂直起降、巡航、悬停等多种飞行姿态下的气动特性、飞控性能以及安全性能等研究。

5. 缩短测试周期：与户外场景测试相比，低空风洞测试具有测试周期短、节省测试成本的优势。

工作原理

低空风洞的基本工作原理是通过动力系统（如风机）驱动空气在风洞管道中流动，形成具有一定速度和方向的气流，模拟真实环境中的风场。通过调节动力系统的功率、改变风洞管道的形状和尺寸、使用各种整流装置和边界层控制技术等手段，可以精确控制风速、风向、湍流强度等参数，以满足不同的实验需求。

类型

​1. 按气流速度分类​​

▪​​低速风洞​​：气流速度低于约 0.3 倍声速（约 100 米/秒），是最常见的一种类型，主要用于模拟低空常见的风况，如微风、阵风等，适用于建筑风荷载研究、无人机飞行试验等。

​​▪​​高速风洞​​：气流速度超过 0.3 倍声速，可用于研究高速飞行器在低空高速飞行时的空气动力学特性。

​​2. 按结构形式分类​​

​​▪​​直流式风洞​​：具有连续不断的气流，实验时间不受限制，能够进行长时间的稳定实验，但设备规模较大，建造和运行成本较高。

​​▪​​回流式风洞​​：气流在风洞内循环流动，通过特殊的管道和阀门系统使气流多次通过实验段，具有占地面积小、能耗相对较低等优点，应用较为广泛。

核心技术参数

•模拟高度范围：0 ~ 3,000 米（重点覆盖0~500米超低空）

•风速范围：0 ~ 50 m/s（0 ~ 180 km/h）

•湍流强度：5% ~ 20%（可调节，模拟城市或山区复杂气流）

•边界层厚度：≥ 500 mm（满足缩比模型试验需求）

•试验段尺寸：1.5 m × 1.5 m × 3 m（小型）至 5 m × 5 m × 15 m（大型）

•雷诺数范围：1×10⁵ ~ 1×10⁷（根据模型尺度和风速）

•气流均匀性：≤ ±1% 风速偏差

•湍流度控制：可配备主动/被动格栅生成特定湍流谱

特色能力（区别于常规风洞）

1. 可模拟真实低空湍流谱；

2. 支持地面效应研究：模拟飞行器贴近地面时的气流压缩与升力变化；

3. 配备移动平台或旋转台：模拟飞行器前进、侧滑、偏航等复杂姿态；

4. 可集成降雨、侧风、阵风发生装置：复现恶劣天气条件；

5. 支持带飞控系统实飞模拟；

6. 多机编队气动干扰测试：如无人机群飞行中的尾流影响。

低空风洞所需设备

1. 风洞本体结构

通常采用回流式闭口风洞设计，由试验段、收缩段、扩散段、拐角导流片和稳定段组成，确保气流循环高效、稳定。风洞主体由钢结构或玻璃钢制成，内部光滑以减少湍流，外部密封良好，具备足够的刚性和降噪能力。

2. 动力驱动系统

配备大功率变频电机驱动的轴流或离心风机，可产生0～50 m/s的可控风速，满足低空飞行器在城市、山区等不同环境下的模拟需求。风机系统需具备调速平稳、响应快、噪音低的特点。

3. 流场整流装置

包括蜂窝器（用于消除大尺度涡旋）、阻尼网（多层金属网，进一步降低湍流）和收缩段（将气流加速并整流为均匀来流），是保证试验段气流质量的关键部件。

4. 试验段

是安放被测模型的核心区域，尺寸通常为2m×2m×4m或更大，设有透明观察窗（如亚克力或玻璃）用于高速摄像和PIV测量，同时预留测压孔、信号引线口和支撑接口，便于多类型试验配置。

5. 湍流生成系统

用于模拟真实低空复杂气流环境，通常由可调节格栅、扰流板阵列或主动喷气装置组成，可复现城市建筑群、山地地形等引起的湍流谱，实现不同湍流强度（5%～20%）的精确控制。

6. 地面效应模拟平台

配备可移动或可升降的模拟地面板，用于研究飞行器在贴近地面（0～1米）飞行时的升力变化、气流压缩和稳定性问题，特别适用于多旋翼无人机和eVTOL的起降阶段测试。

7. 模型支撑与测力系统

采用六分量天平（内部或外部安装）与刚性支撑杆结合的方式固定飞行器模型，可实时测量升力、阻力、侧向力及俯仰、滚转、偏航三个方向的力矩，精度通常要求优于±1%满量程。

8. 风速与压力测量设备

包括皮托管+差压传感器用于测量来流速度，压力扫描阀系统用于多点同步采集模型表面压力分布，是获取气动系数的基础数据来源。

9. 粒子图像测速系统（PIV）

一套非接触式全场流场可视化设备，通过向气流中播撒示踪粒子（如油雾或微米级颗粒），利用激光片光源和高速相机捕捉粒子运动，重建流场速度矢量图，用于分析旋翼下洗流、尾流干扰、涡结构等复杂现象。

10. 高速摄像系统

配合烟雾发生器或激光照明，用于记录飞行器姿态变化、旋翼变形、气流扰动等动态过程，帧率通常要求1000 fps以上，支持与PIV或天平数据同步触发。

11. 数据采集与控制系统

由工控机、同步采集卡和专用软件组成，可实时采集天平、压力、温度、风速、姿态等多通道数据，采样频率不低于1 kHz，具备数据存储、实时显示和后期分析功能。

12. 飞控硬件在环系统（HIL，可选）

支持真实飞行控制器接入风洞试验，实现“带控制律”的动态响应测试，用于验证飞控算法在复杂风场中的抗扰能力，是智能飞行器研发的重要工具。

13. 辅助环境模拟设备（可选）

•侧风发生装置：从侧面引入气流，模拟横风对飞行器的影响；

•阵风模拟系统：通过快速开关阀门产生瞬态风速变化；

•降雨或雾化系统：模拟恶劣天气条件；

•声学测量系统：麦克风阵列用于测量飞行器噪声分布，支持降噪设计。

低空风洞的建设方案与建设步骤

✅ 低空风洞建设方案

一、项目定位与目标

•应用方向：

面向低空飞行器（如多旋翼无人机、eVTOL、垂直起降固定翼）在0～3000米高度范围内的气动性能测试，重点模拟城市、山区、海面等复杂近地环境。

•核心功能：

•模拟真实低空气流（风速、湍流、阵风、侧风、地面效应）；

•支持静态测力、动态响应、飞控HIL（硬件在环）试验；

•实现流场可视化（PIV）与噪声测量。

•试验对象：

缩比模型（1:5～1:20）或全尺寸小型飞行器（如25kg级无人机）。

二、主要技术指标（建议）

•风速范围：0 ~ 50 m/s（0 ~ 180 km/h）

•湍流强度：可调，5% ~ 20%（可模拟城市/山区风场）

•试验段尺寸：2.0 m（宽）× 2.0 m（高）× 4.0 m（长）

•气流均匀性：≤ ±1% 风速偏差

•湍流度控制：可生成Kaimal/von Kármán标准谱

•雷诺数范围：1×10⁵ ~ 1×10⁷（满足缩比相似）

•数据采样频率：≥ 1 kHz

•噪音控制：室外≤75 dB(A)，室内操作区≤85 dB(A)

三、总体布局设计

采用闭口回流式风洞结构，主要由以下部分组成：

1. 动力段：大功率风机+变频电机；

2. 稳定段：蜂窝器+阻尼网+整流格栅；

3. 收缩段：收缩比约7:1，加速气流并整流；

4. 试验段：透明观察窗，设测压孔、信号引线口；

5. 扩散段：降低气流速度，减少能量损失；

6. 拐角导流片：4个90°弯道，引导气流回流；

7. 辅助系统区：PIV、天平、数据采集、控制室。

✅ 建议总长度：30～40米，高度6～8米，需预留设备安装与维护空间。

四、核心设备清单（关键采购项）

•风洞钢结构本体（含收缩段、试验段、拐角）

•大功率轴流风机（带变频调速）

•流场整流装置（蜂窝器、阻尼网）

•可调式湍流生成格栅

•六分量测力天平（内埋式或外挂式）

•模型支撑系统（刚性支架+姿态调节机构）

•地面效应模拟平台（可升降底板）

•PIV系统（激光器、相机、同步器、示踪粒子发生器）

•高速摄像系统（≥1000 fps）

•压力扫描阀系统（64通道以上）

•数据采集与控制系统（工控机+同步采集卡）

•飞控硬件在环（HIL）接口模块

•辅助设备：烟雾发生器、侧风喷口、声学麦克风阵列

✅ 低空风洞建设步骤（7大阶段）

第1步：项目立项与需求分析

•明确建设目标（科研、产品验证、适航支持）；

•确定预算范围（中小型约1500万～4000万元人民币）；

•组建项目团队（气动、结构、测控、电气工程师）；

•编制《可行性研究报告》与《技术需求书》。

第2步：选址与土建设计

•选择独立厂房或实验楼，要求：

•地基稳固，防振；

•空间足够（长40m × 宽15m × 高8m）；

•供电容量≥800kVA（风机+设备）；

•通风与降噪措施到位；

•委托专业设计院完成建筑、结构、电气、暖通图纸。

第3步：方案设计与专家评审

•委托风洞设计单位（如中航工业、高校研究所）进行气动设计；

•完成流场仿真（CFD）验证风速均匀性与湍流可控性；

•组织专家评审会，确认总体方案可行性。

第4步：设备采购与定制

•招标采购核心设备（风机、天平、PIV、数据采集系统）；

•定制非标部件（风洞壳体、收缩段、试验段结构）；

•签订技术协议，明确接口、精度、验收标准。

第5步：安装与系统集成

•先施工土建基础，预埋地脚螺栓；

•依次安装风机、稳定段、收缩段、试验段、拐角、扩散段；

•安装测力天平、PIV系统、高速摄像、压力扫描阀；

•布设电缆、信号线、气路管道；

•集成数据采集与控制系统，实现多设备同步。

第6步：调试与流场标定

•空载运行风机，检查振动与噪音；

•使用皮托管+热线风速仪测量试验段流场：

•风速均匀性（9点法测量）；

•湍流强度与频谱特性；

•地面效应模拟验证；

•标定六分量天平与压力系统；

•进行PIV流场可视化测试，验证系统功能。

第7步：验收与试运行

•按合同和技术协议进行性能验收测试；

•开展典型模型试验（如标准NACA翼型、四旋翼模型）；

•编制《风洞操作手册》《维护规程》；

•培训操作人员；

•正式投入使用，进入科研或产品测试阶段。

✅ 建设周期与投资估算（参考）

•小型风洞（试验段1.5m级）：周期12～18个月，投入1500万～2500万元

•中型风洞（试验段2.0m级）：周期18～24个月，投入3000万～4500万元

•大型风洞（试验段3.0m以上）：周期24～36个月，投入6000万元以上

注：投资包含土建、设备、安装、调试、人员培训等全部费用。

主要参考标准与规范

•MIL-STD-1797A：军用飞行器风洞试验标准（含低空飞行要求）；

•DO-160 / RTCA DO-365：航空机载设备环境试验（含风载）；

•中国民用航空局（CAAC）eVTOL适航指南（草案）；

•SAE ARP5294：直升机低空飞行气动特性测试方法；

•IEC 61400-2：小型风力机低风速环境测试（部分共用）。

目前，全球首个低空风洞装置已经落地深圳，由电子科技大学（深圳）高等研究院深思实验室研发。此外，广东空天科技研究院也在广州南沙建成了低空飞行器风洞试验平台，进一步推动了低空经济的发展。这些低空风洞装置的启用，为低空飞行器的研发提供了重要的测试平台，有助于加速技术攻关向商业应用的转化。