eVTOL风洞复杂流场测试方法与案例

从城市来流、旋翼尾流、桨-翼干扰，到 PIV/PTV、DIC 和数据同步

图1｜Vertical Aerospace eVTOL 风洞测试场景。真实 eVTOL 研发中，风洞试验用于在受控环境下验证整机构型、推进系统安装影响和不同飞行状态下的气动响应。图片来源：Vertical Aerospace 公开资料。

一、eVTOL 风洞试验，不只是测升力和阻力

传统固定翼飞机的很多气动问题，可以按机翼、机身、发动机安装和操纵面逐项展开。eVTOL 的难点在于，多个旋翼或螺旋桨既产生升力和推力，也直接参与姿态控制；其尾流会冲刷机翼、机身、机臂和短舱，并在过渡飞行、复杂来流和近地状态中进一步放大。

风洞试验的价值，是在可重复的来流、转速、姿态和构型条件下，把这些耦合问题拆开观察。力、压力、速度场、图像、结构变形和控制量之间的关系，在风洞里更容易被分离和复现。风洞并不替代飞行试验，但它能在试飞之前先把风险点看清楚。

二、公开案例：风洞验证已经进入头部 eVTOL 研发流程

从公开资料看，eVTOL 企业和研究机构已经把风洞试验作为设计迭代与试飞前验证的重要环节。不同案例关注的问题不同：整机构型看安装效应和综合气动响应；单独旋翼或螺旋桨看推力、扭矩、效率和声学；尾流图像则帮助理解多旋翼相互影响和近地运行风险。

1. 整机/复合翼构型风洞测试

图2｜Archer Midnight 风洞试验场景。复合翼/分布式推进 eVTOL 的风洞验证需要同时关注整机气动、推进系统安装效应、旋翼尾流与机翼/机身之间的耦合。图片来源：Archer Aviation 公开资料。

Archer Midnight 这类复合翼 eVTOL 的风洞试验，重点不只是单个螺旋桨性能，而是整机构型下的推进系统安装效应、旋翼/机翼/机身耦合，以及不同飞行状态下的气动响应。整机构型试验通常是 CFD、部件台架和真机试飞之间的连接环节。

2. 单独旋翼/螺旋桨测试

图3｜Joby 螺旋桨/旋翼风洞测试场景。单独螺旋桨试验可用于评估推力、扭矩、效率、气动声学和尾流特征。

对 eVTOL 来说，螺旋桨不是单纯的推进部件。它同时决定推力效率、噪声特性、下游尾流结构，以及与机翼/机身之间的气动干扰。单独螺旋桨或旋翼风洞试验通常是整机复杂气动测试之前的基础环节。

3. 多旋翼尾流耦合：近地运行问题的机理入口

图4｜双螺旋桨尾流结构示意。相邻螺旋桨尾流会相互影响，形成复杂的下洗流、回流和局部高速区。图片来源：Eve / 公开资料。

这类图像不等同于完整的下洗流/外洗流测试。它更适合作为多旋翼尾流耦合的机理入口：相邻旋翼之间的卷吸和尾流重叠会改变局部入流方向，进而影响推力、姿态控制和近地运行边界。全尺寸下洗流/外洗流、丝线法、旋翼应变和机载动态压力等内容，将在后续试飞篇展开。

三、先看空气环境，再看飞行器如何改变空气

城市低空运行涉及两类不同流场：一类是飞行器将进入的外部空气环境，另一类是飞行器自身旋翼、机翼和机身改变后的诱导流场。两类问题都需要实测数据支撑。

1. 城市建筑周边流场：飞行器将进入怎样的空气环境

图5｜城市建筑模型三维流场扫描现场。操作人员在缩比城市模型中移动探针，屏幕实时显示速度云图与矢量结果。图片来源：Streamwise / ProCap 公开资料。

图6｜城市流场测试结果。彩色云图表示速度大小，箭头表示局部流向，可用于识别楼群绕流、局部加速区、回流区和尾流区。图片来源：Streamwise / ProCap 公开资料。

通过建筑模型、空间定位和三维风速探针，可以把街谷、楼群和建筑背风侧的复杂流动转化为实测速度场。它不直接测 eVTOL 机体，但回答了一个前置问题：飞行器进入城市低空后，面对的是怎样的局部空气环境。

2. Dufour Aero2 尾流：飞行器自身如何改变空气

图7｜Dufour Aero2 风洞测试搭建。左侧可见运动捕捉相机，垂直安装的机翼、螺旋桨和机身组合模型，右侧为仪测架+全向测压探针。图片来源：ZHAW / ProCap / Dufour Aero2 公开资料。

图8｜Dufour Aero2 尾流测试结果：速度云图叠加矢量场。三维流场扫描系统结合多孔探针和空间定位，可将点测数据重构为速度云图与矢量场。图片来源：ZHAW / ProCap / Dufour Aero2 公开资料。

Dufour Aero2 案例展示的是另一类问题：飞行器自身诱导出的复杂尾流。螺旋桨、机翼和机身组合后，尾流并非均匀向后发展，而是包含局部高速区、低速尾迹区、流向偏转和回流结构。这类数据可以用于 CFD 校核、构型修改对比和真机测点设计。

四、eVTOL 风洞测试项目图谱

下列图谱按研究对象和耦合程度排序，而不是按仪器类型排序。前半部分从环境来流、单旋翼到推进干扰和机体耦合；后半部分从过渡状态、非定常响应到结构测量、流场可视化和噪声机理。

图9｜eVTOL 风洞测试项目图谱（上）：从城市来流到推进干扰。

图10｜eVTOL 风洞测试项目图谱（下）：从过渡状态到流场诊断。

五、流场、结构和非定常响应的关键测量方法

1. PIV/PTV：把不可见尾流变成速度场

图11｜Royal NLR 风洞中的 PIV/PTV 粒子示踪测量。绿色粒子云用于捕捉模型周围流场运动。图片来源：Royal NLR 公开资料。

PIV/PTV 适合观察桨尖涡、尾流扩散、尾流再吸入、机翼上方分离和建筑尾流。示踪粒子只是采集过程，真正有工程价值的是后处理得到的速度矢量场，以及它与压力、力/矩、转速、模型姿态和控制输入的同步对照。

图12｜DanTec + Phantom PIV 视频，用于展示激光片和示踪粒子如何帮助捕捉尾流结构。视频来源：Dantec / Phantom PIV 测试资料。

高速相机可作为 PIV/PTV/BOS 测量链中的成像单元，与激光、示踪粒子、同步控制和图像处理软件共同组成系统。对于 eVTOL 风洞测试，它可以帮助记录尾流演化、瞬态涡结构、碎屑/FOD 运动，以及流场与结构/压力响应之间的关系。

2. DIC/光学标记：测结构如何动

图13｜桨叶表面光学标记点。此类标记可用于 DIC、三维光学跟踪、桨叶变形或姿态/位移测量。图片来源：Royal NLR 公开资料。

eVTOL 的气动问题并不止于流场本身。桨叶、机翼、机臂和支撑结构在气动载荷下会发生变形，变形又会反过来改变局部流场和载荷分布。DIC 和三维光学跟踪可以把这种结构响应记录下来，与压力、载荷、转速和 PIV/PTV 数据同步分析。

3. 阵风/非定常来流：连接城市风环境和飞控响应

图14｜DLR / DNW 风洞中的可控阵风或非定常来流试验场景。模型表面可见光学标记点，背景为扰动发生装置。图片来源：DLR / DNW 公开资料。

城市低空运行面对的不是恒定来流。风洞试验可以通过扰动发生装置研究阵风响应、气动载荷变化和结构/姿态响应。外部扰动先改变局部流角和载荷，随后进入姿态与推力控制闭环。

4. 多面风墙：面向扰动响应的可编程风场

图15｜多面风墙阵列与 UAV/eVTOL 测试示意。多风机阵列可生成多方向、可编程的复杂扰动风场，并结合运动捕捉验证飞控响应。图片来源：公开技术资料 / 发布前需确认授权。

多面风墙更适合小型无人机和缩比 eVTOL 的扰动响应验证。它不是传统风洞的替代品，而是补充：传统风洞适合建立基础气动数据库，多风机阵列适合生成横向阵风、垂向扰动和时变流场，用于观察飞行器如何识别扰动、分配推力并恢复姿态。

六、这些试验需要哪些测量能力

风洞测试不宜按品牌堆砌设备，而应按数据类型组织测量能力。不同仪器解决的问题不同，最终目标是把气动现象放到同一套时间轴和坐标系中解释。

空气状态测量：多孔探针、风速探针和大气数据系统用于测量空速、迎角、侧滑角、动压、静压和三维速度分量。

压力场测量：压力扫描阀和动态压力传感器用于模型表面、短舱、机臂和地面板的压力分布与压力脉动。

流场可视化：PIV、PTV、BOS 和高速成像用于观察尾流演化、桨尖涡、分离区和非定常涡结构。

三维流场扫描：空间定位与多孔探针扫描系统可将局部速度和流向重构为三维实测流场。

结构响应测量：DIC、光学跟踪、应变片和 FBG 可用于测量桨叶、机翼、机臂和支撑结构变形。

同步数据链：数据采集系统、PTP/PPS、触发同步和视频时间戳用于把风速、压力、力/矩、转速、姿态、图像和构型状态放到同一时间轴。

图16｜系统级验证闭环图。用于把城市风环境、CFD/风洞、真实飞行试验、机载数据采集、飞控修正和运行边界验证串联起来。

七、结语：风洞的价值在于把复杂问题提前拆开

eVTOL 的复杂性，不来自某一个单独部件，而来自分布式推进、旋翼尾流、机翼/机身干扰、非定常来流、结构变形和飞控响应之间的叠加。风洞试验的意义，是在可控条件下把这些问题逐项拆开，再用力、压力、速度场、图像、结构变形和同步数据把它们重新关联起来。

从公开案例可以看到，Joby、Archer、Vertical、EVE、Dufour 等企业或研究机构已经在利用风洞和流场测量方法研究整机构型、螺旋桨、尾流和复杂流场问题。对进入试飞和适航验证阶段的 eVTOL 项目来说，这类试验不是展示，而是建立气动数据库、校核 CFD、完*飞控模型和确定运行边界的基础工作。

真实飞行中的下洗流、外洗流、丝线法、旋翼/螺旋桨应变、机载动态压力和飞控日志同步，将在后续试飞篇中展开。

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