廖達(dá)雄，孫運(yùn)強(qiáng)，吳靜怡，彭磊

1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240

2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)與測試技術(shù)研究所，綿陽 621000

0 引 言

風(fēng)洞作為空氣動力學(xué)研究的重要地面試驗(yàn)設(shè)備，在先進(jìn)飛行器研制和基礎(chǔ)空氣動力學(xué)問題研究中發(fā)揮了不可替代的作用。根據(jù)AIAA數(shù)據(jù)顯示，未來一架典型軍用飛機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)量約為35 000～45 000 h，而現(xiàn)代亞聲速運(yùn)輸機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)量約為15 000～20 000 h。因此在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，通過各種風(fēng)洞試驗(yàn)來獲得最終的氣動力數(shù)據(jù)仍然是飛行器研發(fā)的主要和最終手段。

隨著先進(jìn)飛行器的性能及設(shè)計(jì)精細(xì)化程度不斷提高，科研人員對風(fēng)洞試驗(yàn)和設(shè)備提出的要求也變得更高：不僅需要模擬更加精細(xì)、模擬能力更強(qiáng)的大尺寸風(fēng)洞和高雷諾數(shù)風(fēng)洞，還需要具有特殊試驗(yàn)?zāi)M能力的特種風(fēng)洞，以滿足推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)、氣動彈性試驗(yàn)（如飛行器的顫振、抖振等）的特殊要求。與此同時，氣動試驗(yàn)對風(fēng)洞流場品質(zhì)也提出了很高的要求：滿足邊界層轉(zhuǎn)捩、減阻流動控制、非定常氣動力、噪聲控制等研究條件，滿足流場參數(shù)精細(xì)化和全場測量的試驗(yàn)需求，以實(shí)現(xiàn)對流場的無干擾多點(diǎn)和全場測量，進(jìn)而為增強(qiáng)流體動力學(xué)物理現(xiàn)象和機(jī)理理解奠定基礎(chǔ)。除此之外，在風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)過程中，還要考慮提高風(fēng)洞運(yùn)行的生產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，滿足現(xiàn)代飛行器研制對縮短風(fēng)洞試驗(yàn)周期和降低試驗(yàn)成本的需求。這就要求開展風(fēng)洞可靠性、維修性、保障性設(shè)計(jì)，建設(shè)智能風(fēng)洞健康管理系統(tǒng)，提升風(fēng)洞試驗(yàn)運(yùn)行綜合效能。

大型風(fēng)洞設(shè)備是一種多學(xué)科高度融合，先進(jìn)制造、先進(jìn)測試、智能運(yùn)行、科學(xué)管理綜合集成的大科學(xué)裝置。作為一個系統(tǒng)型設(shè)備，大型風(fēng)洞設(shè)備設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)性能的提升，離不開計(jì)算機(jī)一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與人工智能的有機(jī)結(jié)合。為成功建設(shè)試驗(yàn)?zāi)芰?qiáng)、流場品質(zhì)優(yōu)、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)高效的大型風(fēng)洞設(shè)備，需要充分發(fā)揮多學(xué)科融合的數(shù)智化技術(shù)優(yōu)勢，著力突破現(xiàn)代風(fēng)洞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題。

本文在梳理國內(nèi)外大型風(fēng)洞數(shù)智化技術(shù)問題的基礎(chǔ)上，分析了數(shù)智化技術(shù)在風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)及運(yùn)行過程中的技術(shù)需求和發(fā)展趨勢，可為下一步大型風(fēng)洞設(shè)備的設(shè)計(jì)建設(shè)及高效運(yùn)行提供參考。

1 數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)是現(xiàn)代信息技術(shù)與風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)的深度融合，貫穿于風(fēng)洞設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)運(yùn)行、數(shù)據(jù)服務(wù)等各個環(huán)節(jié)。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化是數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的基本要素。其中，數(shù)字化技術(shù)是數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基于計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)是數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的核心要素，智能化技術(shù)是數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的根本。

數(shù)字化技術(shù)通過對設(shè)備設(shè)計(jì)信息、測控儀器信息及其他資源信息進(jìn)行數(shù)字化描述、分析、決策和控制，生成滿足要求的數(shù)據(jù)及決策。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)在風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，涉及到風(fēng)洞數(shù)字化設(shè)計(jì)、建模仿真、數(shù)字化測控設(shè)備、信息化管理等多個方面，在實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞設(shè)備功能的各過程和環(huán)節(jié)受到廣泛關(guān)注。

在風(fēng)洞氣動設(shè)計(jì)過程中，基于計(jì)算機(jī)輔助的氣動設(shè)計(jì)、數(shù)值仿真、性能分析等數(shù)字化技術(shù)已成為重要的設(shè)計(jì)手段。在跨聲速風(fēng)洞的槽壁試驗(yàn)段、大開角擴(kuò)散段以及二喉道設(shè)計(jì)中，數(shù)值模擬手段得到廣泛應(yīng)用，并取得了一系列研究成果。如圖1所示的跨聲速風(fēng)洞槽壁試驗(yàn)段流場模擬，就是借助數(shù)值模擬結(jié)果開展優(yōu)化設(shè)計(jì)的典型案例。其研究結(jié)果對槽壁試驗(yàn)段內(nèi)流特性的理解和槽壁設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

圖1 跨聲速風(fēng)洞槽壁試驗(yàn)段流場分布圖[12]Fig.1 Test section flow distribution of transonic wind tunnel[12]

在風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的數(shù)字化技術(shù)也日趨成熟，諸如CAD、CAE、UG等軟件已成為風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流軟件，尤其是隨著大型低溫、高溫風(fēng)洞中氣動條件對結(jié)構(gòu)性能的要求不斷提高，流固熱耦合、流致振動等結(jié)構(gòu)性能參數(shù)分析對數(shù)字化技術(shù)的依賴程度也逐漸增強(qiáng)。

在風(fēng)洞控制技術(shù)研究中，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用也比較普遍，從控制軟件編寫、測控?cái)?shù)據(jù)的編譯傳輸、控制指令的發(fā)放到控制策略的優(yōu)化，風(fēng)洞數(shù)字化技術(shù)都發(fā)揮著重要作用。風(fēng)洞馬赫數(shù)控制中的全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)和迎角、轉(zhuǎn)盤角、壁板等位置控制系統(tǒng)，都是通過數(shù)字化控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

在風(fēng)洞試驗(yàn)測試技術(shù)領(lǐng)域，與試驗(yàn)測試設(shè)備及數(shù)據(jù)采集相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)體現(xiàn)得更為明顯。在天平測力、非接觸測量等風(fēng)洞試驗(yàn)過程中測量的物理量較多，這些物理量通過各種傳感器進(jìn)行記錄，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行存儲和處理。大量風(fēng)洞設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時高效的采集、傳輸和數(shù)據(jù)處理，為風(fēng)洞和試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?yōu)化設(shè)計(jì)分析提供了第一手寶貴資料。同時，風(fēng)洞數(shù)字化技術(shù)中大量數(shù)據(jù)的傳輸、共享以及處理，又促進(jìn)了數(shù)智化風(fēng)洞網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。尤其是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和Internet的日益發(fā)展，風(fēng)洞模型試驗(yàn)硬件、軟件平臺的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)正在不斷更新，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)在風(fēng)洞設(shè)計(jì)和風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場的應(yīng)用也日趨廣泛。

在8 m×6 m風(fēng)洞系統(tǒng)的改造中，為克服風(fēng)洞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、改造難度大、各子系統(tǒng)間開發(fā)平臺不一致等技術(shù)難題，通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)對其進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，實(shí)現(xiàn)了中心機(jī)Alpha工作站與其他子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊，其測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖[25]Fig.2 Network topology of measurement and control system[25]

為提高風(fēng)洞試驗(yàn)過程中測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的效率和可靠性，張軍等通過對風(fēng)洞現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)中幾種關(guān)鍵技術(shù)的分析，采用客戶機(jī)+服務(wù)器的以太網(wǎng)通訊工作模式，設(shè)計(jì)出了一套基于以太網(wǎng)的風(fēng)洞現(xiàn)場總線方案，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場總線控制在風(fēng)洞中的應(yīng)用，風(fēng)洞現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其研究成果對提高風(fēng)洞試驗(yàn)效率、降低試驗(yàn)成本有非常重要的意義。

圖3 風(fēng)洞現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[26]Fig.3 Structure diagram of field bus in wind tunnel[26]

大型跨、超聲速風(fēng)洞設(shè)備的規(guī)模較大、控制系統(tǒng)復(fù)雜、子系統(tǒng)多，各系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)復(fù)雜，對數(shù)據(jù)傳輸要求較高，測控通信網(wǎng)絡(luò)所起到的作用尤為重要。在某大型高速風(fēng)洞設(shè)計(jì)中，為滿足“分散控制、集中管理”的設(shè)計(jì)原則，控制系統(tǒng)采用分布式集散控制結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一套基于光纖環(huán)網(wǎng)的測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)構(gòu)建主干光纖環(huán)網(wǎng)，控制系統(tǒng)的若干位置分散子系統(tǒng)控制器，均就近通過子交換機(jī)接入光纖環(huán)網(wǎng)；位于光纖環(huán)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間支持實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通信，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇_定性、快速性都大大增強(qiáng)，同時冗余環(huán)網(wǎng)的配置可增加網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

隨著風(fēng)洞數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展以及各種設(shè)備設(shè)計(jì)效率和試驗(yàn)需求的不斷提升，基于先驗(yàn)知識的風(fēng)洞智能化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)也有了較快的發(fā)展。

智能化是指試驗(yàn)設(shè)備在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)處理、人工智能等技術(shù)的支持下，所具備的能滿足人們各種設(shè)計(jì)和試驗(yàn)需求的屬性。大型風(fēng)洞系統(tǒng)比較復(fù)雜，輔助系統(tǒng)也較多，建造及運(yùn)行成本高昂，設(shè)計(jì)過程中的氣動、結(jié)構(gòu)、測控等技術(shù)相互融合，流體、機(jī)械、電氣等多物理場互相耦合，因此運(yùn)行過程中的動態(tài)特性非常復(fù)雜?；谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)處理及人工智能等智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對大型風(fēng)洞整體性能和試驗(yàn)?zāi)芰Φ奶嵘加蟹浅Ｖ匾囊饬x。

近年來，隨著測控理論和技術(shù)的飛速發(fā)展，智能控制技術(shù)在風(fēng)洞中的應(yīng)用也逐漸增多。適用于風(fēng)洞參數(shù)控制的智能控制主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)等。

模糊控制主要是指控制過程中對反饋信息的模糊處理，并依據(jù)模糊規(guī)則做出相應(yīng)控制輸出，因此，模糊控制對那些不能用數(shù)學(xué)函數(shù)精確表達(dá)的控制對象效果明顯。針對增壓連續(xù)式跨聲速翼型風(fēng)洞，竹朝霞等提出了基于虛擬儀器和人工智能的風(fēng)洞測量和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。從壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、風(fēng)洞測量、狀態(tài)管理、計(jì)算和試驗(yàn)一體化等方面分析了人工智能的作用及效果，風(fēng)洞壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)如圖4所示。竹朝霞等的研究結(jié)果表明：采用虛擬儀器技術(shù)不僅可以改造現(xiàn)有儀器設(shè)備，以滿足當(dāng)前的氣動試驗(yàn)要求，而且使系統(tǒng)在可視化、操作便捷性、測控能力、測試精度及可靠性等方面也有較大提高。

圖4 NF-6風(fēng)洞壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[28]Fig.4 Condition monitoring system of NF-6 wind tunnel compressor[28]

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是神經(jīng)系統(tǒng)對外界信息進(jìn)行并行處理的過程，可以模擬人的學(xué)習(xí)。通過對一個事物進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)，就可以復(fù)現(xiàn)、模仿該事物，然后根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)，使該事物朝著既定目標(biāo)發(fā)展。因此，根據(jù)給定的目標(biāo)函數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以利用其自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，使被控制對象達(dá)到最佳的狀態(tài)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在國內(nèi)外風(fēng)洞中已有比較廣泛的應(yīng)用。

專家系統(tǒng)主要是借助已有的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用人工智能，模擬人類專家的思維過程，解決某些需要專家決定的復(fù)雜問題。對于風(fēng)洞工況帶來的參數(shù)變化、控制參數(shù)的選擇、吹風(fēng)過程中的事故判斷和處理等，專家系統(tǒng)是非常有用的。2.4 m跨聲速風(fēng)洞智能運(yùn)行控制系統(tǒng)就是利用已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建包含特征參數(shù)、原始及精選數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，成功實(shí)現(xiàn)開車參數(shù)的自動生成，有效提高了風(fēng)洞試驗(yàn)運(yùn)行效率。

智能控制常與PID控制組合使用，即利用智能控制算法，整定適合的PID參數(shù)，再利用PID調(diào)節(jié)器對風(fēng)洞馬赫數(shù)或者穩(wěn)定段總壓實(shí)現(xiàn)最終的控制。為滿足暫沖式跨、超聲速風(fēng)洞運(yùn)行工況復(fù)雜且馬赫數(shù)變化范圍寬的實(shí)際需求，研究人員采用智能多模態(tài)控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制，有效改善了風(fēng)洞控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能指標(biāo)。為有效克服跨聲速風(fēng)洞中電液伺服控制器可靠性低、調(diào)試維護(hù)和使用困難等技術(shù)問題，杜寧等將HNC100智能控制器技術(shù)成功應(yīng)用于跨聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)，有效改善了閥門的控制精度和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特性，風(fēng)洞總壓及馬赫數(shù)的控制精度也有較大提高。基于HNC100的伺服控制模式原理如圖5所示。

圖5 基于HNC100的伺服控制模式原理圖[37]Fig.5 Schematic diagram of servo control mode based on HNC100[37]

大型風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備是智能測控系統(tǒng)應(yīng)用的理想場所。20世紀(jì)90年代，美國NASA阿姆斯研究中心和美國空軍阿諾德工程發(fā)展中心就已經(jīng)對風(fēng)洞設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)過程中的數(shù)值計(jì)算、智能系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理及融合等數(shù)智化技術(shù)開展了很多探索性研究工作，并取得了很好的效果。歐洲在ETW風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)及試驗(yàn)過程中，基于數(shù)值模擬、網(wǎng)絡(luò)集成和專家系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化技術(shù)也開展了大量的應(yīng)用研究。

從國內(nèi)外風(fēng)洞設(shè)計(jì)運(yùn)行現(xiàn)狀看，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為代表的數(shù)智化設(shè)計(jì)技術(shù)在風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)中已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用，并取得了較大技術(shù)進(jìn)步。但國內(nèi)的數(shù)智化風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)起步較晚，尤其是在智能制造與裝配技術(shù)、控制系統(tǒng)智能化、智能機(jī)器人技術(shù)、智能健康管理等風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，數(shù)智化技術(shù)還有待進(jìn)一步加強(qiáng)和提高。

2 數(shù)智化風(fēng)洞技術(shù)需求及發(fā)展趨勢

近年來，隨著大數(shù)據(jù)分析、虛擬現(xiàn)實(shí)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)智化已成為我國未來高端裝備發(fā)展建設(shè)的重要趨勢，也為大型風(fēng)洞設(shè)備向數(shù)智化方向轉(zhuǎn)變提供了契機(jī)。為此，通過分析梳理大型風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)過程中面臨的數(shù)智化技術(shù)問題和發(fā)展趨勢，提出構(gòu)建數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建議，為提升我國大型風(fēng)洞設(shè)備的綜合能力和服務(wù)水平提供技術(shù)儲備。

2.1 數(shù)字化風(fēng)洞系統(tǒng)發(fā)展趨勢及研究建議

數(shù)字化通過對產(chǎn)品、工藝和資源信息進(jìn)行數(shù)字化描述、分析和控制，快速生成滿足要求的產(chǎn)品，是實(shí)現(xiàn)數(shù)智化風(fēng)洞的基礎(chǔ)要素，廣泛應(yīng)用于氣動分析、建模仿真、數(shù)字化設(shè)備、信息化管理等風(fēng)洞設(shè)計(jì)各過程和環(huán)節(jié)的集成優(yōu)化。未來數(shù)字化風(fēng)洞系統(tǒng)研究的重點(diǎn)將集中在以下幾方面：

1）風(fēng)洞數(shù)字化協(xié)同仿真平臺建設(shè)。主要是開展風(fēng)洞氣動、洞體結(jié)構(gòu)、測控系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算分析，構(gòu)建數(shù)字化、模塊化、參數(shù)化的風(fēng)洞數(shù)字樣機(jī)“虛擬風(fēng)洞”。虛擬樣機(jī)不僅包括風(fēng)洞的幾何模型、風(fēng)洞的功能和性能仿真模型，還包括風(fēng)洞的制造模型、操作維護(hù)模型以及環(huán)境模型等的有機(jī)融合，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞的設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)行流程及控制優(yōu)化。并基于仿真計(jì)算結(jié)果，對風(fēng)洞復(fù)雜物理過程以及關(guān)鍵參數(shù)的相應(yīng)特性進(jìn)行三維可視化展示。

學(xué)生在練習(xí)紙上，按要求畫出符合題意的圖形，由于按習(xí)題要求，只需分成兩個周長相等的圖形即可，所以方法是多樣的，結(jié)果也是多樣的，比如下面這些不同的畫法：

2）三維流場精細(xì)化、可視化測量體系研究。主要是發(fā)展高精度的數(shù)字化傳感器、天平技術(shù)、非接觸測量和流動顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對流場的無干擾全場測量，增強(qiáng)對流動物理現(xiàn)象和機(jī)理的深入了解。發(fā)展基于視頻的模型姿態(tài)和變形測量系統(tǒng)、PIV流場三維顯示系統(tǒng)、高速氣流湍流度熱線測量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)、復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下的壓敏漆及溫敏漆測量技術(shù)等。穩(wěn)步推進(jìn)流動顯示測試向定量化、精細(xì)化發(fā)展，促進(jìn)多物理場的同步測量和集成融合技術(shù)。如圖6所示的PIV流場測試系統(tǒng)在亞跨超聲速風(fēng)洞以及超燃等流場測試及診斷領(lǐng)域都已得到廣泛應(yīng)用。

圖6 PIV流場測試系統(tǒng)[18]Fig.6 Flow field measurement system of PIV[18]

3）風(fēng)洞運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析管理研究。主要是運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)開發(fā)風(fēng)洞試驗(yàn)全域全過程數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)分析，采用數(shù)據(jù)采集新方法，得到試驗(yàn)過程全部宏觀、細(xì)節(jié)、時頻域信息，為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支持。開發(fā)大數(shù)據(jù)多樣化處理和可視化分析方法，實(shí)現(xiàn)各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)宏觀規(guī)律現(xiàn)象快速精準(zhǔn)分析和精細(xì)化微觀現(xiàn)象的深入分析，并為試驗(yàn)問題、故障的準(zhǔn)確定位提供支持。利用CFD技術(shù)和輔助測試手段，建立參數(shù)化的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正通用模塊和專家?guī)煜到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)洞壁及支架干擾修正、彈性角修正等快速精準(zhǔn)分析，為工程師和用戶的數(shù)據(jù)后處理分析及時提供原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)和無干擾數(shù)據(jù)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化風(fēng)洞系統(tǒng)發(fā)展趨勢及研究建議

互聯(lián)網(wǎng)將人、數(shù)據(jù)和事物連接在一起，通過企業(yè)內(nèi)、企業(yè)間的協(xié)同和資源共享，重塑產(chǎn)業(yè)的價值鏈，推動產(chǎn)業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)變，大幅提高產(chǎn)業(yè)效能并創(chuàng)造新的產(chǎn)業(yè)。網(wǎng)絡(luò)化是數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的核心要素，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)計(jì)、研發(fā)及制造的協(xié)同與共享，有助于實(shí)現(xiàn)橫向、縱向和端到端的集成，為打通整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流、信息流提供保障。風(fēng)洞試驗(yàn)與型號用戶單位通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)交互，風(fēng)洞試驗(yàn)開始從以試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供為中心向以用戶服務(wù)和解決氣動力問題為中心轉(zhuǎn)型。從目前掌握的技術(shù)資料看，網(wǎng)絡(luò)化風(fēng)洞系統(tǒng)研究重點(diǎn)主要集中在以下幾方面：

1）風(fēng)洞設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試、試驗(yàn)運(yùn)行的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化協(xié)同創(chuàng)新體系。風(fēng)洞設(shè)備系統(tǒng)多、技術(shù)復(fù)雜，需要眾多的設(shè)計(jì)單位、研究單位、制造安裝單位等協(xié)同集成，才能高質(zhì)量地完成風(fēng)洞設(shè)備的設(shè)計(jì)建設(shè)。通過互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，不僅要實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞數(shù)字化設(shè)計(jì)研究、數(shù)字化制造、數(shù)字化安裝調(diào)試等縱向集成，也要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)單位之間、制造單位之間、安裝調(diào)試單位之間以及設(shè)計(jì)、試驗(yàn)運(yùn)行、型號用戶之間的端到端集成，形成一個高效的風(fēng)洞業(yè)態(tài)系統(tǒng)有機(jī)整體。一方面，風(fēng)洞協(xié)同創(chuàng)新體系是一個開放型、合作式的創(chuàng)新平臺，風(fēng)洞建設(shè)的整個價值環(huán)節(jié)采用競爭參與、合作共享模式，要求設(shè)計(jì)研發(fā)、加工制造、安裝調(diào)試的企業(yè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型，具有定制化、柔性化、模塊化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)能力。另一方面，風(fēng)洞協(xié)同創(chuàng)新體系能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)端對風(fēng)洞產(chǎn)品的洞察，通過物聯(lián)網(wǎng)與風(fēng)洞運(yùn)行保持聯(lián)系，收集風(fēng)洞運(yùn)行的動態(tài)數(shù)據(jù)，持續(xù)地分析風(fēng)洞運(yùn)行使用情況，為改進(jìn)風(fēng)洞設(shè)計(jì)、開發(fā)新技術(shù)和服務(wù)提供依據(jù)。

2）風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值仿真、模型自由飛三大手段之間的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)融合。針對CFD計(jì)算方法和軟件，建立基本的驗(yàn)證和確認(rèn)方法，確定規(guī)范化步驟，收集整理國內(nèi)外已有的可用于CFD確認(rèn)的標(biāo)?；駼enchmark實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。選定有代表性的標(biāo)模實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃土鲃訝顟B(tài)，開展數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的相互對比研究，進(jìn)行氣動參數(shù)辨識結(jié)果的不確定度研究。根據(jù)數(shù)據(jù)融合理論和方法，通過對三種不同來源氣動數(shù)據(jù)進(jìn)行充分利用和合理支配，借助數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、估計(jì)、判斷、推理、綜合等手段，將這些互補(bǔ)和冗余信息依據(jù)某種準(zhǔn)則綜合起來，獲得精準(zhǔn)度更高的氣動數(shù)據(jù)，并建立氣動力數(shù)據(jù)庫共享平臺，用于氣動力數(shù)據(jù)的分析、確認(rèn)和評估，三種手段融合式發(fā)展模式的概念圖如圖7所示。近幾年，國內(nèi)開展的國家數(shù)值風(fēng)洞（NNW）工程項(xiàng)目在突破國外長期數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)壟斷、彌補(bǔ)與國外技術(shù)差距方面取得了很大的進(jìn)步，也是國內(nèi)數(shù)智化風(fēng)洞技術(shù)發(fā)展的重要一環(huán)。

圖7 三種手段融合式發(fā)展Fig.7 Integrated development of three means

3）試驗(yàn)單位與用戶間的遠(yuǎn)程交互和數(shù)據(jù)共享。通過網(wǎng)絡(luò)平臺將風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場、試驗(yàn)分析站、用戶單位構(gòu)成有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)單位與型號用戶單位的遠(yuǎn)程交互和數(shù)據(jù)共享。試驗(yàn)單位參與型號模型的設(shè)計(jì)和制造過程，針對特定的氣動力問題和風(fēng)洞特點(diǎn)，制定個性化的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)大綱。用戶單位參與試驗(yàn)、氣動數(shù)據(jù)的問題分析等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，根據(jù)試驗(yàn)過程形勢變化進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容和計(jì)劃動態(tài)調(diào)整，優(yōu)化試驗(yàn)流程和組織。實(shí)現(xiàn)型號試驗(yàn)從數(shù)據(jù)提供向用戶服務(wù)和問題解決轉(zhuǎn)變。開展風(fēng)洞與模型自由飛試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性研究，在數(shù)字化基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)共享的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，及時優(yōu)化各種風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正方法，提供更為精準(zhǔn)可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.3 智能化風(fēng)洞系統(tǒng)發(fā)展趨勢及研究建議

近年來，人工智能技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合又為新一代智能制造創(chuàng)造了條件。新一代智能制造將重塑產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)等各個環(huán)節(jié)，催生一系列新技術(shù)，進(jìn)而改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和思維模式。智能化是數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的根本要素，其主要特征表現(xiàn)為風(fēng)洞系統(tǒng)在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上具備了學(xué)習(xí)能力。通過人工智能等技術(shù)的應(yīng)用，深度處理和利用信息，使目標(biāo)對象具有一定自主學(xué)習(xí)、分析、決策和控制執(zhí)行能力，能主動適應(yīng)環(huán)境的變化，使知識的獲取及應(yīng)用發(fā)生根本性改變，顯著提高整個系統(tǒng)的效能和服務(wù)質(zhì)量。未來智能化風(fēng)洞系統(tǒng)研究重點(diǎn)將主要集中在以下幾方面：

1）智能制造與裝配技術(shù)體系建設(shè)。大型風(fēng)洞設(shè)備設(shè)計(jì)建設(shè)中面臨諸多問題，如系統(tǒng)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大、精度要求高等，這對工藝水平和加工制造能力提出了更高要求。為提高設(shè)備的加工精度和質(zhì)量，需要構(gòu)建滿足設(shè)備現(xiàn)場加工的智能系統(tǒng)，通過先進(jìn)制造及智能技術(shù)的深度融合，研發(fā)集感知、決策、執(zhí)行于一體的智能裝備。需要開展包含風(fēng)洞大尺度結(jié)構(gòu)部件的虛擬裝配問題研究，包括三維數(shù)字建模技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)以及裝配工藝虛擬仿真技術(shù)等，從而為高精度裝配提供技術(shù)支撐。以專家知識庫、過程監(jiān)控、在線檢驗(yàn)、虛擬裝配等智能化技術(shù)為建設(shè)內(nèi)容，通過改變傳統(tǒng)制造模式，大型風(fēng)洞設(shè)備的智能制造可顯著提升產(chǎn)品質(zhì)量和制造效率。目前，基于智能系統(tǒng)的虛擬制造與裝配技術(shù)（圖8）在航空發(fā)動機(jī)、整機(jī)裝配等領(lǐng)域都已得到廣泛應(yīng)用。

圖8 虛擬制造與裝配[51]Fig.8 Virtual manufacturing and assembly[51]

2）風(fēng)洞運(yùn)行控制的智能化技術(shù)開發(fā)。大型風(fēng)洞設(shè)備一般包含多個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜。氣動、結(jié)構(gòu)、測控多系統(tǒng)耦合調(diào)試過程中的復(fù)雜動態(tài)特性對風(fēng)洞測控系統(tǒng)提出了更加嚴(yán)苛的要求，因此在風(fēng)洞控制系統(tǒng)中采用自主調(diào)節(jié)、智能決策等技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞的安全高效運(yùn)行將是風(fēng)洞測控系統(tǒng)的一個重要趨勢。從現(xiàn)有風(fēng)洞的實(shí)際應(yīng)用需求看，大型風(fēng)洞智能控制系統(tǒng)可以在自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能優(yōu)化等方面開展研究。

圖9 NFT智能溫度調(diào)節(jié)控制Fig.9 Intelligent temperature control of NTF

3）風(fēng)洞智能化健康管理系統(tǒng)構(gòu)建。大型風(fēng)洞設(shè)備健康管理系統(tǒng)是設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，為實(shí)現(xiàn)健康管理系統(tǒng)的智能化，應(yīng)借助機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)

據(jù)挖掘等手段，完善健康管理系統(tǒng)的感知、維修、自主學(xué)習(xí)等功能。初步構(gòu)建的風(fēng)洞智能狀態(tài)監(jiān)測及健康管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖10所示，風(fēng)洞設(shè)備的主要參數(shù)信號不僅數(shù)據(jù)量大、種類繁多，而且特征各異。開展健康管理系統(tǒng)構(gòu)建，需要借助風(fēng)洞數(shù)字化的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，從海量數(shù)據(jù)中提取出高價值知識。然后，依據(jù)待預(yù)測對象特征參數(shù)、運(yùn)行環(huán)境及歷史數(shù)據(jù)，運(yùn)用智能算法對設(shè)備可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)測、分析，進(jìn)而提出預(yù)防改進(jìn)措辭。在此基礎(chǔ)上，采用已有的專家?guī)爝M(jìn)行故障識別，運(yùn)用模糊學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)進(jìn)行故障診斷，確保設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行，同時將識別的故障錄入專家?guī)?，以備后續(xù)調(diào)用。

圖10 風(fēng)洞智能狀態(tài)監(jiān)測及健康管理系統(tǒng)總體架構(gòu)[12]Fig.10 Overall structure of intelligent state detection and health management in wind tunnel[12]

4）風(fēng)洞智能機(jī)器人研發(fā)。某些大型風(fēng)洞內(nèi)部環(huán)境特殊，如NTF風(fēng)洞為低溫環(huán)境（溫度可達(dá)–160 ℃），人員無法直接進(jìn)入洞體內(nèi)部維護(hù)。在更換試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪^程中，必須借助模型車將模型移出洞體進(jìn)行置換，嚴(yán)重影響了試驗(yàn)的效率。借助智能機(jī)器人開展洞體檢測、維修以及試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼡Q，不僅可以提高試驗(yàn)效率，降低運(yùn)行成本，還可以縮短試驗(yàn)周期，提高風(fēng)洞試驗(yàn)的安全性。當(dāng)前，隨著智能機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)、生活服務(wù)等諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，智能機(jī)器人技術(shù)已得到了飛速發(fā)展，如圖11所示的特殊環(huán)境智能機(jī)器人技術(shù)已成功應(yīng)用于生物醫(yī)藥、化工等行業(yè)。然而，每個應(yīng)用領(lǐng)域都有自身的特點(diǎn)和技術(shù)需求。風(fēng)洞智能機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用，應(yīng)結(jié)合風(fēng)洞實(shí)際運(yùn)行中寬溫域、變壓力等特點(diǎn)，發(fā)展特殊環(huán)境智能機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特定工況下風(fēng)洞檢修、模型更換、實(shí)時檢測等功能。

圖11 特殊環(huán)境中的智能機(jī)器人技術(shù)[52]Fig.11 Intelligent robot technology in special environment[52]

數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)中的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化三個基本要素體現(xiàn)了未來風(fēng)洞設(shè)備的發(fā)展趨勢，三個要素各有特點(diǎn)、規(guī)律和重點(diǎn)需要解決的問題。數(shù)字化技術(shù)是數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的基礎(chǔ)要素，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)化到數(shù)字化轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵；網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)是數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的核心要素，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和跨平臺人機(jī)交互的重要一環(huán)；而智能化技術(shù)則是數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的根本，是風(fēng)洞系統(tǒng)自動化、智能化水平的綜合體現(xiàn)。三個基本要素在技術(shù)上和時間上不是孤立的，而是相互交織、相互集成的，體現(xiàn)著數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)融合發(fā)展的基本特征。

3 總結(jié)與展望

風(fēng)洞是研制飛行器和地面交通工具的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其性能和試驗(yàn)?zāi)芰χ苯佑绊懙较冗M(jìn)氣動設(shè)備的研發(fā)進(jìn)程。本文對國內(nèi)外大型風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)過程中應(yīng)用到的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化技術(shù)問題進(jìn)行了總結(jié)分析，指出數(shù)字化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的基礎(chǔ)和前提，網(wǎng)絡(luò)化是實(shí)現(xiàn)數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的核心，而智能化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的根本要素，三者是相互補(bǔ)充、互為促進(jìn)的關(guān)系。在總結(jié)已有數(shù)智化風(fēng)洞技術(shù)基礎(chǔ)上，針對風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)及運(yùn)行過程中的技術(shù)需求和發(fā)展趨勢，從智能制造與裝配技術(shù)、智能化運(yùn)行控制技術(shù)、智能化健康管理系統(tǒng)構(gòu)建以及風(fēng)洞智能機(jī)器人研發(fā)幾個方面，提出了關(guān)于構(gòu)建數(shù)智化風(fēng)洞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建議，希望能為下一步大型風(fēng)洞的設(shè)計(jì)建設(shè)及高效運(yùn)行提供參考。未來的風(fēng)洞設(shè)計(jì)和運(yùn)行模式，將更注重先進(jìn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域信息技術(shù)與風(fēng)洞設(shè)備的深度融合，以滿足風(fēng)洞便捷、高效、可靠的試驗(yàn)需求，使得試驗(yàn)型風(fēng)洞與數(shù)值風(fēng)洞的結(jié)合更加緊密。