引导风洞：低空经济时代的环境模拟“新基建”

引导风洞（也称导流风洞或预调风洞）是一种特殊的风洞设计，其主要功能是通过优化气流路径，减少湍流、涡流等干扰，使进入主试验段的气流更加稳定、均匀，从而提高风洞试验数据的精度和可靠性。它通常包含进气口、收缩段、稳定段、试验段、扩散段及排气系统等部分，通过流线型设计和导流装置（如整流器、导流板）调整气流速度分布和压力场，适用于航空航天飞行器、汽车、建筑等领域的空气动力学特性测试，尤其在需要高精度气流条件的试验中发挥重要作用。

引导风洞被称为低空飞行器的“气象考场”或“极限考场”。与传统风洞只能产生单一方向气流不同，它旨在复现低空飞行器在1000米以下城市空域中遇到的真实复杂风场，如城市峡谷风、热岛效应、风切变、下击暴流等。

特点

引导风洞目前主要有两种含义：一种是面向低空飞行器的三维多物理场耦合引导风洞；另一种是在整车/卡车环境模拟舱、气候风洞中，用来“引导”气流进入试验段的整流/导流系统。

一、低空三维多物理场耦合引导风洞

这类引导风洞是面向无人机、eVTOL、低空飞行器的新型试验装置。与传统风洞只模拟单一方向、较稳定的来流不同，它更强调在城市低空复杂环境中复现多向风、突发风、垂直风和气象耦合条件。

典型特点：

1. 多向风机矩阵

由固定风墙、移动风墙、顶部风机和底部绕流风机等构成，可实现 X、Y、Z 三个方向速度场的组合控制。

2. 复杂低空风场复现

可模拟城市峡谷风、风切变、突风、下击暴流、热岛效应等低空典型风场，更接近楼宇间、山地、沿海等真实低空环境。

3. 气象环境耦合

可叠加雨雪、冻雨、高低温、湿热、太阳辐照等气象因素，用于考核飞行器在复合环境下的气动特性、飞控稳定性和安全边界。

4. 快速响应控制

风机矩阵可在秒级内同步变速，实现时变风、阵风、侧风和垂直流的动态模拟。

5. 典型应用

主要用于无人机、复合翼飞行器、电动垂直起降飞行器的悬停、起降、巡航、抗风能力、飞控算法验证和适航测试。

二、车辆环境风洞中的“引导/导流”部分

在整车或卡车环境模拟舱、气候风洞中，“引导”通常不是独立设备名称，而是指风洞气动系统中的整流格栅、蜂窝器、收缩段、导流片、稳定段等部件。

它们的作用是：

1. 整理来流

降低湍流和旋涡，使进入试验段的气流更均匀、更稳定。

2. 提高流场品质

通过收缩段加速气流，并改善风速分布，使车身周围气流更接近真实行驶状态。

3. 保证试验一致性

让热管理、空调、除霜除雾、电池冷却、传感器验证等试验在不同批次中保持可重复性。

4. 配合环境模拟

与温湿度控制、太阳辐射、雨雪模拟、底盘测功机、尾气排放等系统协同，实现“车在跑、风在吹、环境在变”的综合工况。

工作原理

一、低空三维多物理场耦合引导风洞

工作原理

它不是传统风洞那种“单一方向、稳定来流”的结构，而是通过多组风机矩阵在试验空间内形成 X、Y、Z 三向速度场。

典型结构：

1. 内外舱结构

外舱直径约 18 米，内舱直径约 10 米，形成较大可飞行测试空间。

2. 多向风机矩阵

由 3 组不同方向风机矩阵和底部绕流风机组成，共配置 81 台高功率风机。

3. 快速风场重构

所有风机可在 2 秒内同步变速，实现突风、侧风、垂直风、风切变等动态风场。

4.气象环境耦合

在风场基础上叠加雨雪、冻雨、高低温、湿热、太阳辐照等环境因子，形成“风+气象”复合试验条件。

5. 真实地貌风场还原

可把城市、机场、沿海等真实风场数据输入控制模型，在试验空间内近似复现。

可模拟的环境

- 城市峡谷风场；

- 风切变、突风、时变风；

- 下击暴流、垂直流；

- 热岛效应、沿海风、山地风；

- 雨、雪、冻雨、积冰；

- 高低温、湿热环境；

- 太阳辐照；

- 复合极端气象工况。

典型技术参数

- 内舱直径：约 10 米；

- 外舱直径：约 18 米；

- 最大风速：约 60 m/s；

- 风机矩阵响应时间：≤ 2 秒；

- 可测试翼展：约 4 米级航空器；

- 支持姿态：垂直起降、悬停、巡航等。

二、整车/卡车环境风洞中的气流引导系统

工作原理

整车或卡车环境风洞的“引导”部分，主要承担气流整流、稳流和加速。气流经大功率风机产生后，依次通过稳定段、蜂窝器、阻尼网、收缩段，进入试验段。

蜂窝器和阻尼网用于降低湍流度、消除大尺度涡旋；收缩段将气流加速并形成均匀、低偏角的来流；扩散段则回收能量、降低能耗。

在气候风洞中，这部分还会与温湿度控制、降雨降雪、太阳辐照、底盘测功机、尾气抽排等系统集成，用于模拟车辆行驶时的气候与空气动力环境。

可模拟的环境

- 车辆行驶来流；

- 侧风工况；

- 高温、低温、湿热；

- 降雨、降雪、雾、覆冰；

- 太阳辐照；

- 高原低气压环境；

- 风沙、粉尘等扩展工况。

典型参数范围

不同风洞差异很大，常见参考如下：

- 风速：约 1.5～120 m/s，整车气动风洞最高可达 250 km/h 以上；

- 温度：约 -40℃～+70℃；

- 湿度：约 10%～95% RH；

- 湍流度：优质低速风洞通常低于 0.2%～0.4%；

- 日照辐照：约 500～1200 W/m²；

- 降雨量：最高可达约 250 mm/h；

- 降雪量：最高可达约 150 mm/h；

- 气压：高原气候风洞可模拟常压至约 50 kPa，对应海拔约 0～5500 米。

引导风洞的设备组成

一、低空三维多物理场耦合引导风洞

典型设备组成包括：

1. 内外舱结构

外舱直径约 18 米，内舱直径约 10 米，形成可容纳无人机、eVTOL 等飞行器起降、悬停和巡航测试的空间。

2. 多向风机矩阵

由“固定风墙 + 移动风墙 + 顶部风墙 + 底部绕流风机”组成，共配置 81 台高功率风机，实现 X、Y、Z 三向速度场控制。

3. 风机控制系统

采用变频调速、矩阵协同控制和快速响应算法，可在 2 秒内同步变速，复现突风、侧风、垂直风、风切变等动态风场。

4. 气象环境模拟系统

集成雨、雪、冻雨、积冰、高低温、湿热、太阳辐照等环境因子，实现“风场 + 气象”复合模拟。

5. 飞行器测试支持系统

包括飞行器定位、姿态监测、载荷传感器、飞控数据接口、安全网/限位装置等，用于评估气动特性、飞控性能和安全性。

6. 数据采集与测控系统

实时采集风速、风向、温度、湿度、辐照度、飞行器姿态、载荷和飞控状态，支持复杂工况回放和边界分析。

7. 安全与辅助系统

包括人员防护、紧急停机、风机状态监测、噪声控制、排水除冰、供电冷却和试验监控。

二、整车/卡车环境风洞中的气流引导系统

这类“引导”部分主要承担整流、稳流和加速，典型设备组成包括：

1. 进气与整流装置

包括进气口、蜂窝器、阻尼网和整流格栅，用于消除大尺度涡旋、降低湍流度，使来流更均匀。

2. 收缩段

截面逐渐缩小，将气流加速并形成低偏角、低湍流的稳定来流，进入试验段。

3. 试验段

放置整车或卡车试样的核心区域，可配置移动地面、底盘测功机、姿态调节平台、尾气抽排和温湿度控制接口。

4. 扩散段

扩大截面、降低流速，回收部分动能，降低风机负载和能耗。

5. 驱动系统

大功率电机、轴流或离心风机、变频器、整流罩和止旋片，提供稳定可控的高速气流。

6. 拐角导流片

回流式风洞中用于引导气流平滑转弯，减少涡流和能量损失。

7. 环境模拟系统

集成温湿度控制、降雨、降雪、太阳辐照、低气压、风沙等模块，用于气候适应性验证。

8. 测控与测量系统

包括风速/压力传感器、六分量天平、PIV/烟流可视化、麦克风阵列、数据采集平台和试验管理软件。

9. 安全与辅助系统

包括紧急停机、风机防护、消防、排水、冷却水、压缩空气、废气处理和噪声控制。

引导风洞的建设方案和建设步骤

一、低空三维多物理场耦合引导风洞建设方案

⑴建设定位

主要用于无人机、eVTOL 等低空飞行器在悬停、起降、巡航过程中的抗风能力、飞控稳定性、气动性能和安全性验证。

⑵总体方案

采用“内外舱 + 多向风机矩阵 + 气象耦合 + 姿态测量 + 智能控制”的体系。

- 外舱承担环境舱功能，内舱布置风机矩阵和试验空间；

- 三组不同方向风机矩阵配合底部绕流风机，实现 X、Y、Z 三向速度场控制；

- 叠加高低温、湿热、降雨、降雪、冻雨、太阳辐照等气象条件；

- 通过动作捕捉、六分量天平、风速阵列和飞控接口实现数据闭环。

典型参考参数为：外舱直径约 18 米、内舱直径约 10 米，配置 81 台高功率风机，最高风速约 60 m/s，风机矩阵响应时间 ≤ 2 秒，可支持翼展约 4 米级飞行器测试。

⑶建设步骤

1. 需求定义与指标冻结

明确被试飞行器翼展、重量、飞行姿态、风场类型、气象耦合需求和试验节拍，形成技术规格书。

2. 总体方案与 CFD 仿真

完成内外舱布局、风机矩阵排布、风墙结构、气象耦合方式和控制策略设计，并通过 CFD 验证流场重构能力。

3. 场地与基础设施施工

建设足够净高、承重和吊装条件的试验厂房，配置三相供电、冷却水、排水、消防、隔音和安全防护。

4. 设备制造与采购

同步推进内外舱钢结构、风机矩阵、气象模拟系统、传感器网络、动作捕捉系统、数据采集平台和测控系统制造。

5. 安装与系统集成

依次完成外舱、内舱、风机矩阵、气象模块、测量系统、控制柜和通信网络安装，重点校核风机耦合振动和结构刚度。

6. 单机调试与联合调试

先调试单台风机和单组风墙，再验证多向风场合成、动态阵风、风切变、下击暴流等工况，进行风—温—湿—雨—雪—辐照复合调试。

7. 性能验证与标定

验证风速精度、风向一致性、湍流强度、气象参数稳定性、动作捕捉精度和飞行器姿态响应能力，必要时开展真实风场数据还原试验。

8. 验收、培训与运行

完成安全联锁、紧急停机、人员防护和试验流程培训，建立标准工况库、试验报告模板和维护保养制度。

二、整车/卡车环境风洞中的气流引导与气候模拟系统建设方案

这类风洞的“引导”部分主要指进气整流、收缩段、试验段、扩散段、回流段和边界层控制系统，同时与温湿度、日照、雨雪、底盘测功机等高度耦合。

⑴建设定位

面向整车、卡车、新能源车的热管理、空调、除霜除雾、电池冷却、风阻风噪、传感器验证和高原/高寒/高温适应性测试。

⑵总体方案

采用“大功率风机 + 整流/收缩段 + 试验段 + 扩散/回流段 + 底盘测功机 + 气候环境系统 + 中央测控”的一体化架构。

核心子系统包括：

1. 气流引导系统

含蜂窝器、阻尼网、收缩段、扩散段、拐角导流片和边界层抽吸系统，用于降低湍流度、提高风速均匀性。

2. 动力系统

大功率变频风机或轴流风机，提供 0～250 km/h 级可控来流，部分整车风洞可达更高车速。

3. 试验段系统

配置移动地面或转毂、车辆定位装置、六分量天平、尾气抽排、观察窗和声学处理结构。

4. 气候环境系统

实现 -40℃～+60℃ 温度控制、10%～95% RH 湿度控制、0～1200 W/m² 太阳辐照、降雨降雪和结冰模拟。

5. 测控与安全系统

采用 PLC + SCADA 架构，实现风、温、湿、日照、转毂、降水、废气抽排和安全联锁协同控制。

⑶建设步骤

1. 需求定义与可行性研究

明确测试对象、车型/卡车尺寸、最高风速、温度范围、是否含新能源、是否需日照雨雪和低气压模拟。

2. 概念设计与规格冻结

完成风洞回路、试验段尺寸、整流段、收缩比、边界层控制、转毂/移动地面、太阳模拟和气候负荷计算。

3. 土建与基础设施施工

建设重型设备基础、风洞壳体基础、冷却水管路、排水系统、强弱电系统、废气处理和隔音厂房。

4. 设备采购与制造

采购风机、制冷机组、加热加湿设备、转毂、太阳模拟器、喷淋造雪系统、传感器和控制系统。

5. 安装与系统集成

依次完成风洞壳体、整流段、试验段、风机、转毂、气候系统、日照系统、排水系统和测控系统安装。

6. 调试与性能标定

行风速场均匀性、温湿度稳定性、日照均匀性、降雨降雪能力、转毂同步性调试，再开展复合工况联动试验。

7. 验收与投用

完成第三方标定、安全联锁验证、操作培训、SOP 编制和 CNAS/CMA 能力准备，随后进入正式运行阶段。

三、两类引导风洞建设重点对比

1. 低空引导风洞重点在多向风机矩阵、快速风场重构、飞行器姿态测量、气象耦合和飞行安全。

2. 整车/卡车环境风洞重点在流场均匀性、边界层控制、转毂/移动地面、气候多场耦合、噪声控制和整车安全。

3. 共同点是都需要高可靠土建基础、大功率供电、冷却水系统、数据采集平台、安全联锁和标准化试验流程。

4. 差异点在于低空风洞更强调开放试验空间和动态风场生成，整车/卡车风洞更强调封闭风道、整流品质和车辆行驶工况复现。

核心应用场景

▪ 高精度复现城市峡谷风场、热岛效应、风切变、下击暴流等典型低空极端气象场景。

▪ 为低空飞行器划定气动特性、飞控性能、安全运行的边界条件，支撑适航认定工作。

▪ 已为美团科技、广电计量、丰翼科技等50余家低空经济企业提供研发测试服务，在深圳龙华形成5公里低空产业集聚带。

▪ 后续规划建设外舱直径65米的超大型装置，可支持翼展17米的大中型飞行器及无人机群测试。

低空引导风洞强调“多向风场 + 气象耦合 + 飞行器测试”；整车/卡车风洞中的引导系统强调“单向均匀来流 + 气候环境 + 车辆行驶模拟”。

北京易盛泰和可以根据用户需求提供引导风洞的建设业务，该设备是一种面向海拔 1000 m 以下低空空域，通过多向风机矩阵实现 X-Y-Z 三向速度场控制，并耦合温度、湿度、降水、辐照、甚至电磁/声学等多物理场，能够主动感知飞行器状态、动态生成并引导复杂城市风环境的地面模拟装置。它用于低空飞行器在风切变、突风、城市峡谷风、热岛效应、下击暴流等真实耦合场景下的气动特性、飞控性能与安全边界验证。

关于易盛：

北京易盛泰和科技有限公司，是一家于环境模拟实验室设计、研发和建造的高新技术企业。项目遍布全国各大军工院所、各重点科研行业，与南航建立了产学研基地、与北航建立了紧密的合作机制，为多家科研院所设计和建造了各类环境模拟试验室，易盛泰和以环境模拟行业多领域应用的专业性综合实力，确立了在国内环境模拟行业的领先地位。

来源：北京易盛泰和科技有限公司