PoF | 中山大学张雪琳教授团队：评估风场规模、风速、湍流及禁飞区对城市无人机航线的影响

随着低空经济的快速发展和城市无人机应用场景的拓展，复杂城市环境下的飞行安全气象保障需求日益凸显。高密度城市中高耸建筑群与狭窄街道特征形成了独特的复杂风场环境，给无人机的飞行安全与能效管理带来了严峻挑战，在兼顾飞行距离的同时，有效避开高风险区并优化航线能耗，对构建可靠城市空中交通系统至关重要。

近日，中山大学大气科学学院张雪琳教授团队在城市风环境对无人机航线规划的影响方面取得研究成果。该研究构建了一个集成城市风场模拟与风感知路径规划算法的综合框架，系统评估了风场范围、风速、湍流强度及禁飞区分布对城市低空航线的影响。相关成果以《Estimating the impacts of the wind field size, wind speed, turbulence, and no-fly zones on unmanned aerial vehicle flights in urban areas》为题，发表在AIP出版社流体力学旗舰期刊《Physics of Fluids》上。

该研究首先揭示了模拟区域规模与网格分辨率对城市风场特征及路径规划可靠性的影响特征。研究发现，建立准确的城市风场模型需要涵盖充分的上游区域，以精确捕捉上游建筑对风场的遮挡，较小的模拟范围会因低估建筑干扰而导致流场模拟失真；且在不同来流风向下，受上游建筑排布差异的影响，风场表现出显著的非均匀遮挡特性。此外，网格分辨率在路径规划中对禁飞区的识别具有关键影响，较粗的网格易导致对潜在风险区域的误判，而精细化网格虽能显著提升识别精度，但伴随着更高的计算开销（如图1所示）。这表明，风场建模参数的选取对城市低空风场稳定性及航线规划的可靠性具有重要作用。

基于CFD模拟数据，该研究构建了集成路径长度、湍流风险与风况对无人机功率的影响的多成本评估模型，可实现对无人机城市飞行能效与安全的量化评估。仿真结果显示，城市风场对路径规划的影响表现出显著的高度敏感性，高空（约90m）路径受强风与高湍流影响呈现出更明显的偏离特征（如图2所示），而低空（约30m）区域则因建筑遮挡效应使得流场影响相对较小（如图3所示）。该研究通过对城市复杂流场的分析、风况对能耗的影响及低空航线的评估的系统整合，为城市低空无人机禁飞区合理确定以及安全且高效的航线优化及提供了有力理论支撑，对推动低空经济技术的发展具有重大意义。

图1 研究区域尺寸、来流风向、飞行高度及风场提取网格分辨率对航线规划的影响

图2 不同城市范围下高空风场对无人机路径规划的影响

图3 不同城市范围下低空风场对无人机路径规划的影响

团队介绍

张雪琳，中山大学大气科学学院教授，博士生导师，主要从事未来城市环境中“健康舒适-节能降耗-城市与环境参数”之间的多尺度与多参数耦合影响机制相关研究。主持包括国家海外高层次人才引进项目在内的4项国家级项目。在Building and Environment, Sustainable Cities and Society, Applied Energy , Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 以及 Building Simulation 等风工程领域国际知名期刊发表论文60余篇。兼任Physics of Fluid副主编、国家环境保护大气物理模拟与污染控制重点实验室学术委员会委员。

文章信息

Estimating the impacts of the wind field size, wind speed, turbulence, and no-fly zones on unmanned aerial vehicle flights in urban areas

Ziyong Cao (曹子庸) ; Xuelin Zhang (张雪琳) ; A. U. Weerasuriya; Zhijun Wang; Jianping Guo (郭建平)

Physics of Fluids 38, 015130 (2026)

https://doi.org/10.1063/5.0312680

期刊介绍

Physics of Fluids是一种致力于发表原创理论、计算和实验贡献，以了解气体、液体和复杂或多相流体动力学的卓越期刊。本刊对流体物理的主题进行了专业的快速审查，反映了流体动力学中最重要的主题。

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