文章作者：Ehab Mokhtar
准确测量风速通常始于单点测量，但要了解气流在空间中的分布，则需要采用不同的方法。
五孔压力探头可以同时获取风速和风向，并结合位置跟踪和实时可视化，将这些测量数据组合成完整的流场。
本文介绍了如何使用五孔探头进行风速测量和流场制图，并以 WindProbe 3D 为实际案例进行说明。
图 1：WindProbe 3D 测绘无人机螺旋桨周围的流场
目录
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什么是风速制图
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多孔压力探头的工作原理
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风速测量系统：WindProbe 3D
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获取更高质量流场图的技巧
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其他风速测量系统
什么是风速制图
在风速测量中，流场制图是指使用五孔压力探头等传感器测量特定空间区域内的风速和风向。其目标并非获取孤立的单点测量数据，而是重构气流在平面或三维空间中的分布情况。
该方法通常用于：
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表征尾迹和流体相互作用
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将实验数据与计算流体力学（CFD）结果进行对比
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测量风速和风向的分布
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识别气流绕过空气动力学物体的行为
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图 2：WindVision 软件中的风速制图用户界面
多孔压力探头的工作原理
多孔压力探头在探头尖端周围布置多个测压口，从而测量各处的压力。通过这些压力数据可以确定局部流速和流向，从而获取每个测量点的完整速度矢量。
多孔探头非常适合进行风速测量，原因如下：
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可同时测量风速和流向
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探头尖端与流向之间无需完全对齐
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可紧凑测量物体周围的气流
结合位置跟踪，每个五孔探头的测量数据都可以被精确追踪，从而实现：
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扫描过程中可轻松重新定位
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无需机械移动装置即可实现密集空间采样
风速测量系统：WindProbe 3D
WindProbe 3D 是一款风速测量和可视化系统，由四个协同工作的要素组成：
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五孔压力探头：测量压力、流速和流向
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动作捕捉系统：追踪探头在三维空间中的位置和朝向
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WindShaper 风墙：由多个独立控制的风扇组成的模块化阵列，可产生可重复且可编程的风场
- WindVision 软件：同步这些数据流，并实时将生成的结果显示为三维流场。
测量数据可记录以供后续分析，也可导出进行后期处理，或直接与 CFD 数据进行对比。
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图 5：动作追踪摄像机系统
总体工作流程
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使用 WindShaper 风墙设置所需的风速条件。
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确认五孔探头和动作追踪系统已连接。
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数据采集前将探头归零。
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定义测量区域和体素分辨率。
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将探头移动至目标区域以采集数据。
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检查覆盖情况，并根据需要重新扫描。
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导出测量数据以供分析。
系统设置注意事项
WindProbe 3D 系统旨在实现易用性和快速部署：
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五孔探头出厂时已预先校准，并带有 CE 标志
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单根 USB 数据线即可同时提供电源和数据通信
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标准速度范围为 2–20 m/s，另有其他范围可选
- 必须在首次测试前布置并校准位置标记
- 必须定义测量区域
测量区域和体素分辨率
测量区域定义了采集风速数据的范围。WindVision 软件将测量区域划分为体素，从而决定空间分辨率：
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较小的体素可解析更精细的气流结构
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较大的体素可缩短采集时间，但会模糊细节
体素大小应与所测气流特征的尺度相匹配。
图 6：在 WindVision 软件中设置体素分辨率
数据类型和导出
可从 WindVision 软件中导出两种格式的数据：CSV 和 VTK。
原始测量数据（CSV）：包含带有空间坐标的时间戳风速测量数据。此格式适用于：
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自定义处理和滤波
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基于时间的数据分析
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使用不同的体素设置重新处理数据
流场数据（VTK）
体素平均流场数据以 VTK 格式导出，适用于：
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三维可视化和切片
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CFD 对比
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数据共享与协作
获取更高质量流场图的技巧
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重点关注气流梯度较大的区域：在尾迹和剪切层中多花点时间。
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保持探头平稳移动：多次通过可增加每个体素的采样点。
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保持探头正确对齐：确保五孔探头处于其有效角度范围内。
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选择正确的配置：使探头尖端和速度范围与测试条件相匹配。
延伸阅读：WindShaper 的工作原理
其他风速测量系统
传统风速测量工具也可以进行流场制图，但生成空间分辨率数据通常需要逐点测量和额外的基础设施。
下面介绍了两种主流的传统方法。
机器人或移动式测量
该方法将风速传感器（如多孔探头或热线风速计）安装在机械臂、直线导轨或移动式测量装置上。
此方法通常需要：
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预先定义每个测量点
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将传感器精确移动到每个位置
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在每个点停止以采集数据
虽然这种方法可以提供较高的位置精度，但也存在一些权衡：
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成本高且设置复杂（使用机器人或导轨系统）
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采集时间长（由于采用停顿测量方式）
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空间分辨率有限（以保持测试时间在合理范围内）
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数据集零散（需要后期处理时手动分配位置）
手动手持或固定支架测量
另一种方法是手动移动传感器，或使用简单的支架，并在每个位置停止进行测量。
在这种情况下，记录数据时保持探头静止，位置则通过估算或手动记录。
这种方法降低了硬件复杂度，但也带来了不同的局限性：
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重复性差（由于采用手持定位）
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位置精度较低（与导向式系统相比）
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空间分辨率较低（以限制总测量时间）
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后期处理工作量增加（需要为每次测量分配位置）
带位置追踪的连续测量
相比之下，像 WindProbe 3D 这样的现代系统将连续测量与位置追踪相结合：
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在探头移动过程中连续记录速度数据
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实时将每次测量分配到相应位置
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当数据采集正确或不正确时会提醒用户
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使用插值法填充采样稀疏的区域
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实时显示流场，颜色表示局部流速
这种方法用连续空间采样取代逐点采集，使高分辨率流场制图变得实用且可重复。
图 7：WindProbe 3D 扫描无人机周围的流场
总结
五孔压力探头是一种强大的风速测量工具，因为它可以在空间中的每个点同时获取风速和风向。结合位置追踪、实时可视化和可编程风源（如风墙），这些测量数据可以组合成完整的流场。
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