大型風力機氣動噪聲仿真與分析

韓寶坤，孫曉東，鮑懷謙，宋明超(山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590)

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大型風力機氣動噪聲仿真與分析

韓寶坤，孫曉東，鮑懷謙，宋明超
(山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590)

摘要：以2 MW風力機為研究對象，用Pro/E進行三維建模，用Fluent對其流場和聲場進行仿真分析。采用大渦模擬（LES）模型求解風力機流場非定常流動，獲得流場漩渦強度和流線，采用FW-H聲學模型計算氣動噪聲。結果表明，由葉根至葉尖漩渦強度和聲壓脈動逐漸加強，在葉尖區(qū)域達到最大值，葉尖區(qū)域是風力機噪聲主要來源，葉片背風面漩渦強度和聲壓脈動比迎風面高，導致距風力機相同距離的背風面合成聲壓級高于迎風面，塔影效應是風力機氣動噪聲重要組成部分，氣動噪聲主要是中低頻噪聲。

關鍵詞：聲學；風力機；氣動噪聲；大渦模擬；塔影效應；漩渦強度；中低頻噪聲

風能是一種清潔可再生能源，取之不盡用之不竭，具有良好的應用前景和開發(fā)潛力。我國風電行業(yè)近幾年一直保持高速發(fā)展，每年都保持百分之二十以上的增速，截止2014年底我國風電累計裝機容量達到114 609 MW，成為繼火電、水電之后的第三大電力能源。隨著風力機的單機功率不斷增大，大規(guī)模的風電場中風力機運行產生的噪聲問題越來越突出，對人們的生產、生活造成影響。隨著人們環(huán)境保護意識逐漸增強，對風力機氣動噪聲的研究變得越來越重要。以某2 MW風力機為研究對象，對風力機流場進行模擬與仿真，分析大型風力機氣動噪聲的產生原因與影響因素。

1　氣動噪聲計算公式

Fluent計算氣動噪聲采用FW-H[1]方程，F(xiàn)W-H方程是最通用的Lighthill聲比擬方法，可以求解單極子、偶極子和四極子噪聲。Fluent采用時域積分的方法，通過面積分計算指定位置的噪聲[2]?？梢赃x擇多個源面和接收位置，也可以保存噪聲源數(shù)據(jù)，或在瞬態(tài)流動求解過程中同時執(zhí)行噪聲計算。

FW-H方程如下

式（2）右邊的第一項表示單極子聲源，第二項表示偶極子聲源，第三項表示四極子聲源。對風力機氣動噪聲而言，單極子聲源主要指葉片的厚度噪聲，偶極子聲源主要是由于葉片的非定常氣動力所致，在低速流動中，偶極子占據(jù)了氣動噪聲的大部分。四極子聲源主要與物面附近的非線性流動有關，在低速流動中，四極子聲源可以忽略。

2　建模與仿真

2.1風力機參數(shù)

以某2 MW風力機為研究對象，風力機主要參數(shù)如表1所示。

表1　2 MW風力機參數(shù)

2.2三維模型建立與網格劃分

(1)風力機三維模型建立

運用專業(yè)翼型設計軟件Profili對翼型進行分析，獲得沿葉片軸向不同葉素翼型的具體參數(shù)，葉片各截面翼型如圖1所示。

將翼型參數(shù)導入Pro/E中進行風力機葉片三維建模，如圖2所示。

圖1　葉片各橫截面翼型圖

圖2　葉片沿展向翼型分布

各截面翼型由葉根至葉尖扭角逐漸減小，以得到最大的升阻比，葉片長44 m，葉根直徑3 m，最大弦長4.5 m，輪轂直徑5 m，葉輪直徑93 m，機艙長度13m，塔筒高度90m，三維模型如圖3所示。

圖3　風力機三維模型

(2)流場建立及網格劃分

將三維模型進行網格劃分，建立的外包圍圓柱直徑為280 m，長度為800 m，其中速度入口段長度為200 m，壓力出口段長度為600 m，壓力出口段長度為風力機葉輪直徑的6.5倍，以滿足尾流渦旋的長度。采用非結構化四面體網格對流場區(qū)域進行分塊網格劃分，如圖4所示。

圖4　風力機分塊網格劃分

風力機葉輪旋轉圓柱和塔架機艙周圍由于動網格旋轉和渦流強度大，要求精度高，因此對這一區(qū)域網格做加密處理。對周圍包圍流場劃分精度較低,網格總數(shù)達500多萬。

2.3流場模擬

(1)湍流模型選擇

選擇大渦模型（LES），次網格模型選擇動態(tài)Smagorinsky-Lilly模型。這種組合方法在高雷諾數(shù)流動情況下，對流動轉捩和近壁流動問題特別是捕捉葉輪附近流場的變化有較好的模擬效果。

(2)邊界條件

假設入口邊界具有相同大小的風速，且不考慮垂直風切變的影響，設置入口為速度入口邊界，來流風速為10.8 m/s，湍流強度為0.12。設置出口邊界為壓力出口，出口壓力等于大氣壓強。

(3)動網格設置

風力機葉輪的旋轉需要用到被動型動網格，不同于一般的動網格，這種動網格邊界運動規(guī)律是未知的，需要通過計算氣流作用于葉片邊界上的力和力矩，以此求取邊界的運動參數(shù)，這種運動規(guī)律隨風速的變化而變化。采用6 DOF模型計算被動型動網格。利用該模型時，需要確定計算葉輪的質量、三個方向的轉動慣量及慣性矩、重心坐標。而這些參數(shù)的獲取需要通過編譯型UDF宏文件，F(xiàn)LUENT加載時，需要調用Microsoft Visual C++將其編譯成DLL文件。動網格采用Remeshing方法，Size Remeshing Interval設置為1。

（4）求解方法

采用分離式求解器（Segregated Solver）進行求解，壓力速度耦合采用的是壓力隱式算法PISO與PRESTO結合求解。PISO算法可以減少SIMPLEC 與SIMPLE在求解壓力修正方程過程中的反復計算問題，在每次迭代中需要占用更多的CPU資源，但可以顯著地減少收斂所需要的迭代次數(shù)，并且計算穩(wěn)定性高，特別是針對瞬態(tài)問題。

2.4聲場模擬

（1）聲學模型選擇

選擇Ffowcs-Williams&Hawkings(FW-H)聲學模型，導出ASD格式的噪聲源數(shù)據(jù)，定義噪聲源為葉輪和機艙塔架，定義噪聲監(jiān)測點。監(jiān)測點沿風力機葉輪軸線方向間隔100 m前后對稱布置，距地面1m。

（2）噪聲信號分析

繼續(xù)進行迭代計算至少一個周期，選擇之前定義的噪聲源和監(jiān)測點，導入ASD格式的噪聲源數(shù)據(jù)文件，進行噪聲信號分析。

（3）快速傅里葉變換

進行快速傅里葉變換（FFT），將監(jiān)測點噪聲的時域信號轉換為頻域信號，計算監(jiān)測點的噪聲功率譜密度，得到功率譜密度頻譜圖。計算監(jiān)測點噪聲聲壓級，得到聲壓級頻譜圖和合成聲壓級。

3　結果分析

3.1流場結果分析

（1）風力機葉輪表面的漩渦強度云圖如圖5、圖6所示，圖5為葉輪迎風面漩渦強度分布云圖，圖6為葉輪背風面漩渦強度分布云圖。

從圖5和圖6的對比可以看出，葉輪背風面的漩渦強度明顯高于迎風面，而且由葉根至葉尖漩渦強度逐漸增大，在葉尖區(qū)域漩渦強度達到最大值。

（2）圖7和圖8分別為葉片未經過塔架時的塔架和葉片橫截面流線圖，圖9為葉片經過塔架時的橫截面流線圖。對比可以看出，當葉片旋轉經過塔架時，由于塔架對氣流的堵塞作用，葉片背風面后緣區(qū)域漩渦明顯增多，葉片與塔架之間的流線密集度增加，塔架迎風面來流量明顯增大，塔架背風面漩渦明顯增多。這是由于葉片對氣流的切割和擠壓，使流過葉片的氣流湍流強度增加，產生大量漩渦，并且流速增大流向改變，當這些高速氣流撞擊塔架時，產生分流的同時漩渦強度和流速進一步增大，在塔架背面產生大量漩渦。塔架周圍風速的劇烈變化直接影響著葉片繞流流場，同時，葉片的旋轉和繞流又影響著塔架周圍的流動，這就是風力機的塔影效應。

圖7　塔架橫截面截面流線圖

圖8　葉片橫截面流線圖

圖9　葉片經過塔架時橫截面流線圖

3.2聲場結果分析

（1）圖10為風力機葉輪和塔架表面聲壓脈動的時均值云圖。從圖中可以看出，在葉輪上聲壓脈動由葉根至葉尖逐漸增大，在葉尖區(qū)域達到最大值，這與上面得到的漩渦強度分布規(guī)律相符，表明風力機氣動噪聲大小與漩渦強度有直接關系。

圖10　聲壓脈動時均值云圖

（2）如圖10所示，塔架中部也就是葉尖旋轉經過區(qū)域的聲壓脈動最大，并且向兩邊逐漸減小，這與上面分析的塔影效應相符合。塔影效應引起葉片和塔架周期性非定常相互作用下氣動噪聲的周期性波動，由葉根至葉尖線速度逐漸增大，氣流相對速度和湍流強度也隨之逐漸增大，氣流對塔架的沖擊也逐漸增強，導致在葉尖經過區(qū)域的塔影效應最明顯，聲壓脈動也最大。

（3）表2為風力機噪聲監(jiān)測點合成聲壓級。對比風力機各噪聲監(jiān)測點合成聲壓級可以看出，在距風力機塔架相同距離的背風面的合成聲壓級比迎風面的高約1 dB～2 dB。這與上面分析的葉輪背風面漩渦強度高于迎風面漩渦強度的結果有關，也與塔影效應產生的渦流有關。

表2　風力機噪聲監(jiān)測點合成聲壓級對比

（4）圖11為風力機迎風面200 m處的功率譜密度頻譜圖，圖12為風力機迎風面200 m處的聲壓級頻譜圖。由圖12可以看出，風力機氣動噪聲表現(xiàn)為一種寬頻噪聲，從圖11可以看出，噪聲主要集中在0～1 500 Hz頻段內，大于1 500 Hz之后功率譜密度明顯降低，主要是中低頻噪聲。

圖11　迎風面200m處功率譜密度頻譜圖

圖12　迎風面200m處聲壓級頻譜圖

4　結語

（1）風力機葉片附近的漩渦強度由葉根至葉尖逐漸增大，在葉尖區(qū)域達到最大值，噪聲聲壓脈動也由葉根至葉尖逐漸增大，在葉尖區(qū)域達到最大值，二者相符，證明葉尖區(qū)域是風力機氣動噪聲的主要來源。

（2）風力機葉片背風面的漩渦強度高于迎風面，背風面聲壓脈動比較大，導致距風力機相同距離的背風面監(jiān)測點合成聲壓級高于迎風面監(jiān)測點合成聲壓級。

（3）塔影效應對風力機流場和聲場影響很大，是風力機氣動噪聲的重要組成部分。

（4）風力機氣動噪聲主要是中低頻噪聲。

參考文獻：

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Simulation and Analysis of Aerodynamic Noise of a Large Wind Turbine

HAN Bao-kun , SUN Xiao-dong , BAO Huai-qian , SONG Ming-chao
( Collegeof Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Scienceand Technology, Qingdao 266590, Shandong China)

Abstract:A three-dimensional model of a 2 MW wind turbine was established by Pro/E. The flow field and sound field of the turbine were simulated by Fluent. The unsteady flow field of the wind turbine was solved by the Large Eddy Simulation (LES) and thevortex intensity and thestreamlineswereobtained. Finally, theaerodynamic noisewascalculated by FW-H acoustic model. Theresultsshow that thevortex intensity and sound pressurepulsation gradually increasefrom the root to thetip of thebladeand reach themaximum at thetip of theblade. Thetip region isthemain noisesourceof thewind turbine. Theleeward of therotor havethestronger vortex intensity and sound pressurepulsation than thewindward, so that thesynthetic sound power level of leeward ishigher than that of windward when theleeward and windward of therotor are of the same distance from the wind turbine. Tower-shadow effect is an important part of the aerodynamic noise, and the aerodynamicnoiseismainly themiddleor low frequency noise.

Key words:acoustics; wind turbine; aerodynamic noise; large eddy simulation; tower-shadow effect; vortex intensity; middleandlow frequency noise

作者簡介：韓寶坤（1971-），男，山東萊蕪人，教授，研究方向為振動與噪聲控制。E-mail:bk_han@163.com

基金項目：山東省自然科學基金資助項目（ZR2012AM011）

收稿日期：2015-09-29

文章編號：1006-1355(2016)02-0158-04+193

中圖分類號：TB533

文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.035