风洞实验研究尾流与旋翼之间的空气动力耦合：建筑物几何形状对无人机飞行稳定性的影响

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Wind tunnel experimental study on wake–rotor aerodynamic coupling: Impact of building geometry on UAV flight stability

　　

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  风洞试验揭示了建筑物尾流与无人机旋翼之间的非线性耦合。
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  进入的不稳定尾流会偏转并改变化无人机下洗流的结构。
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  边缘锋利的建筑物比圆形几何体诱导出更强的瞬态尾流-旋翼空气动力耦合。
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  无人机的飞行稳定性由建筑物尾流与飞机动态响应之间的频率匹配决定。
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  瞬态相干性指标在评估无人机运行风险时优于时间平均速度。

引言

随着无人驾驶飞行器（UAV）和电动垂直起降（eVTOL）飞机在城市空域中的日益普及，低空操作安全的重要性变得尤为突出[1,2]。然而，在这种近地面空域内的安全导航受到复杂城市风环境的限制[[3], [4], [5]]。先前的研究表明，建筑物布局、表面粗糙度和局部热梯度的结合产生了具有空间异质性和时间不稳定性的空气动力场[6,7]。这种湍流环境会影响低空旋翼飞机的响应能力，特别是在靠近城市结构时的低速飞行阶段，如悬停、起飞和降落[5,8,9]。在这些机动过程中，建筑物引起的流场会干扰旋翼的局部进气条件和空气动力性能[10,11]。在这些结构流干扰中，钝体的背风尾流区代表了一个关键的气动区域。该区域以流动分离和涡脱落为主，使飞机受到不稳定的空气动力作用，可能影响其姿态响应[3,12]。图1提供了选定的钝体流动特征的概念性概览，包括流动分离、近尾流再循环和交替涡脱落[13,14]。

建筑物尾流表现出空间上的异质性和时间上的速度波动。在不同尺度上可能会发生间歇性现象，涉及大尺度的尾流运动、高频的小尺度湍流波动和局部爆发事件[19]。本研究重点关注局部低频速度波动的间歇性增强，考察它们在选定尾流位置的时间演化过程。

当多旋翼飞机在这种环境下运行时，它会受到与均匀开放环境进气明显不同的局部空气动力扰动[3,5,10]，这可能会挑战飞机自身的扰动抑制能力[12,20]。这促使我们研究局部尾流波动的时间特征与悬停无人机测量响应之间的关系。

建筑物尾流的形成和演化是高度动态的过程[19]，受建筑物几何形状的影响[14]。综述表明，钝体几何形状的变化会影响分离位置、剪切层的发展以及尾流涡旋结构的空间组织[13,14,16]。具体来说，建筑物的高度、规模和局部形态等几何参数决定了尾流内高扰动区的空间范围和强度分布[18,21]。建筑物尾流研究主要针对结构风工程、城市微气候评估和污染物扩散等领域。尽管最近的研究开始将城市风建模应用于城市空中移动（UAM）[7]。以往的建筑物尾流研究主要关注平均速度亏损、尾流范围和湍流特征[18,22]。更多最近的工作还研究了多尺度尾流波动[23]。对于在建筑物尾流中运行的无人机来说，局部速度波动的时间和频谱特征为评估飞行器的运行风险提供了补充信息。

最近的研究从多个角度探讨了无人机的阵风响应。Park等人[24]将不稳定旋翼空气动力学与非线性飞行动力学相结合，表明旋翼空气动力学建模对于预测多旋翼飞机在强阵风下的瞬态响应非常重要。Stutz等人[25]发现，飞行器的运动可以通过被动抬升和相关有效攻角的变化来改变小型无人机的阵风遭遇。Yuan等人[26]开发了一个用于阵风响应预测的数值框架，并表明规定的俯仰运动可以减轻阵风对机翼的影响。在建筑相关背景下，Liu等人[10]通过数值模拟表明，在大气边界层下，旋翼与建筑物的相互作用可以改变旋翼的空气动力性能和尾流发展。这些研究确立了阵风特性、飞行器动力学和附近结构在飞机响应中的重要性。然而，直接比较不同建筑物几何形状下的局部尾流波动与测量到的悬停无人机响应的实验仍然有限。

风洞实验为研究建筑物尾流及其与悬停无人机的相互作用提供了一个受控平台[23,27]。时频分析通过解析局部速度波动的时间演化来补充时间平均统计信息[19,28]。基于这些考虑，本研究将风洞实验与统计分析、频谱分析和时频分析相结合，以研究几何形状依赖的尾流特性及其与测量到的无人机角速度响应之间的关系。在不同进气条件下，对缩放的建筑物模型进行了测试，包括没有无人机的情况以及有系绳悬停无人机的情况。

因此，核心研究问题是建筑物几何形状如何影响局部尾流波动及其与系绳悬停无人机的角速度响应之间的关系。另外两个次要问题是：（1）在测试的不同建筑物几何形状中，局部尾流波动的统计特性、主导时间尺度和时间间歇性如何变化；（2）局部速度波动与无人机角速度响应之间观察到了哪些频谱接近性、瞬态相关性和时频相干性？这些分析为几何形状依赖的尾流波动与测试条件下测量到的无人机响应之间的关系提供了实验证据。

本文的其余部分结构如下。第2节详细介绍了实验设置、测试条件和数据处理方法。第3节描述了选定下游测量位置的几何形状依赖的建筑物尾流的统计、频谱和时频特征。第4节考察了有无人机存在时的流动观测以及局部速度波动与无人机角速度响应之间的统计关系。最后，第5节指出了当前研究的局限性，第6节总结了主要结论。

章节片段

实验设置

实验在上海科技大学环境风洞实验室的一个开路式、吸入型大气边界层（ABL）风洞中进行。风洞的试验段长25米，宽2.5米，高2.0米。图2总结了实验设置和测量布置，图2(a)展示了建筑物-无人机实验的照片。

实验是在

建筑物高度和形状对局部TI分布的影响

在计算统计量之前，使用无量纲记录长度来评估所选分析窗口的代表性，定义如下：$$N_c=\frac{t}{T}$$其中 Nc 是无量纲记录长度，表示分析窗口内包含的主导尾流周期数；t 是选定的静止分析窗口的持续时间（180秒）；T是主导尾流周期。

周期计算为主导涡脱落频率的倒数$f_p$

在孤立流场条件下建筑物尾流的可视化

为了研究近尾流流动拓扑，在孤立流场条件下进行了激光照明烟雾可视化实验，如图9所示。该可视化提供了流动分离、再循环、剪切层输送和下游尾流演化的定性证据。可视化结果定性地表明了近尾流区域内的流动再循环、剪切层卷吸和下游尾流演化。

图9展示了来自同一时间的三个时间分离的快照

局限性

尽管这项研究取得了许多见解，但仍需承认一些局限性，以便正确理解研究结果并指导未来的研究。

首先，风速测量阵列集中在钝体背风侧的近尾流区域内。虽然这种配置能够捕捉到局部不稳定的扰动，但它缺乏解析宏观尺度演化、远尾流恢复和更广泛流场三维拓扑所需的空间分辨率。

结论

根据风洞实验和信号分析，关于尾流-旋翼空气动力耦合和无人机飞行稳定性的结论总结如下：

• 虽然矩形和圆形几何体之间的孤立尾流差异与之前的钝体研究结果一致，但目前的研究表明，这些依赖几何形状的扰动传递到无人机旋翼影响区域的方式不同。因此，不能仅通过

未引用的参考文献

[15]

戴宇伟|高 lu|涂万里|王海东|翟志强（John）|苏春晓|孙传娟|邹志军