在风洞中进行测试时，您可能希望空气是可见的。想象一下，能够实时看到层流和湍流，而无需烟雾造成的混乱，也不用运行庞大的 CFD 模拟。如果有一种工具能让您实时“看见”风，那会怎样？
WindProbe 的设计正是为了实现这一愿望。它能以高时间分辨率捕捉多个角度的风速分布，同时集成的运动追踪功能可精确确定测量位置。
本文将展示该工具的使用场景、工作原理，以及它为您的风洞测试工作流程带来的实际优势。
目录
1. 引言
2. 常见的风速测量问题
3. WindProbe 3D 的工作原理
4. 实际应用：模拟切变风
5. 结论
图 1：WindProbe 全长视图，可见运动追踪反射器
常见的风速测量问题
进行流场可视化的方法有很多，例如使用烟雾机、激光器或流线。这些方法各有优缺点，但最常见的问题是，它们主要依赖视觉观察作为测量手段，无法生成定量数据。
测量特定物体周围的气流则会带来更多问题。
- 装置必须根据该物体的形状进行布置。
- 流线需要贴附在表面。
- 烟雾必须对准物体周围的特定点。
- 探头需要布置在物体周围。
风洞的另一个常见用途是验证 CFD 模拟结果，但这同样存在一系列问题。
- 物理装置的微小差异可能会导致实际气流与模拟预测的结果有所不同。
- 目前还没有简单的方法来检查两者的吻合程度。
- 如果没有办法测量完整的风速分布，您很大程度上只能假设数据传输是准确的。
WindProbe 3D 的工作原理
尽管它能解决复杂的问题，但 WindProbe 本身的设计却十分简单。它是一款多孔压力传感器，探尖设有五个孔，并具有 40 度接收锥。
图 2：按比例展示 40° 接收锥的 WindProbe
接收锥使 WindProbe 能够测量以各种角度撞向探尖的风，从而捕捉 x、y 和 z 轴上的速度矢量。与仅测量直接流入其中的风速的皮托管不同，这种多孔设计可以捕捉各种方向的数据。在湍流条件下测量风速时，这一功能必不可少。
WindProbe 的采样频率为 200 Hz。这种时间分辨率能够捕捉风速的细微变化，确保您不会错过测量之间的数据点，从而看到快速变化。
以下视频展示了 WindProbe 的实际运行情况：
探头出厂已预先校准，可通过单根 USB 数据线与 WindShaper 配对，实现通信和供电。根据型号不同，探头可测量的风速范围从低至 1 m/s 到高至 60 m/s。
WindProbe 的空间追踪功能允许您在记录数据时移动探头，并将记录的数值绘制在三维空间中。这使得您能够绘制整个测试段的风速分布图，包括沿下游轴线以及给定平面上的垂直和水平方向。它不再局限于单点测量，而是可以捕捉测试段完整的风速图像。此外，还可以测量测试段内任何物体周围的风速，无论是螺旋桨、机翼还是无人机。
图 3：WindProbe 在三维追踪下实时捕捉风速数据
WindProbe 能够实现三维追踪，得益于沿探头臂上布置的运动捕捉标记点。当与运动捕捉摄像头配合使用时，系统可以追踪探头在三维空间中的精确位置。
图 4：WindProbe 上的 OptiTrack 运动捕捉标记点
相同的标记点也布置在 WindShaper 上，使软件能够追踪探头相对于风源的位置。
图 5：WindShaper 上的 OptiTrack 运动捕捉标记点
WindVision 软件
WindProbe 的所有数据均由 WindVision 软件处理，该软件负责追踪、测量和数据可视化。为了帮助您将探头放置在所需位置，探头内置了一条 LED 灯带，可作为实时引导。当您在软件中定义测量平面时，LED 灯会根据您的位置改变颜色：距离较远时显示红色，靠近时显示黄色，完全位于平面上时显示绿色。
图 6：WindProbe 上的 LED 灯带显示为红色、黄色和绿色
WindVision 可将数据导出为 .csv 或 .vtk 文件，您可以在 ParaView 等软件中打开并分析。在 WindVision 中，您需要定义测试段和测量平面的尺寸。
该软件还允许您调整测量平面的空间分辨率。平面被划分为称为体素的单元。就像二维图像的大小和分辨率由像素定义一样，体素是空间中数值的三维表示。提高分辨率会增加体素数量，从而提供更高的数据粒度和更深入的洞察。降低分辨率则可以通过填充更少的体素来更快地完成测量，从而提供更全面的流场概览。
系统可以测量小至 1 cm³ 体积内的速度矢量。在这一最小设置下，您可以在测量平面中使用多达 2700 万个体素，从而提供风速分布的高精度细节。
实际应用：模拟切变风
假设您正在设计一款用于清洁高楼窗户的无人机。风速通常随高度增加，因此高楼的顶层会受到更强劲的风力影响。当风吹向建筑物时，会产生剧烈的速度梯度，从而形成显著的切变风，这可能让无人机难以应对。
在承担这种涉及高密度地区和昂贵窗户的飞行任务之前，无人机操作员可能希望在不危及无人机或建筑物的情况下，在这些条件下进行一些练习。
图 7：电脑生成的风吹向建筑物表面的图像（来源）
幸运的是，使用 WindShaper 可以轻松模拟这种环境。对于如图所示的 2x2 模块设置，您可以将左侧风扇模块设置为 2 m/s，右侧模块设置为 6 m/s。这会在两侧之间形成陡峭的梯度，从而模拟切变风。然后，WindProbe 可以让您可视化 WindShaper 生成的风速分布。
图 8：WindVision 软件显示 WindShaper 产生的明显切变风
将 WindProbe 放置在风扇前，您就可以开始收集数据。当您将探头沿平面移动时，软件会自动生成风速分布的实时可视化图像。
下一步是在机器前让无人机从左向右飞行，观察它在这些条件下的反应，并练习恢复操作。
结论
WindProbe 为工程师和研究人员提供了一种独特的三维风速测量方法，将无形的气流转化为可读的数据。它提供了一种在以往没有复杂且昂贵设备的情况下无法实现的验证水平。通过结合多孔压力传感和运动追踪，它仍然是市场上唯一能够实时绘制完整三维风速分布图的工具。
图 9：WindProbe 3D 扫描固定翼无人机后方的流场