FOCUS在葉片氣動噪聲預測上的應用

文 | 徐宇，李亞林，鄒立偉，張淑麗

風能是一種清潔可再生能源，風能的利用可以減少化石能源的消耗，減少了大氣污染和水污染，但是處理不當則會增加噪聲污染。隨著我國風電裝機容量的不斷增大，葉片的尺寸不斷增加，葉片產(chǎn)生的氣動噪聲也越來越不容忽視。

目前預測風電機組氣動噪聲的方法主要有三種：第一種是計算流體力學（CFD）方法，學者主要采用的研究方法有：FW-H方法、計算氣動聲學方法和雷諾平均N-S方程、耦合計算流體力學和計算聲學耦合方法，CFD方法計算過程相對復雜，計算速度也較慢。第二種是半經(jīng)驗公式法，學者主要采用半經(jīng)驗公式的BPM翼型自噪聲預測模型和Lowson湍動來流噪聲預測模型對翼型的噪聲進行預測，基于半經(jīng)驗公式的預測模型，計算速度快但是計算精度稍差。除此之外，還可以采用試驗法，有學者利用低速開口風洞研究了采用鋸齒型翼型尾緣控制翼型噪聲的方法，但是試驗法需要更多的人力物力，并且對于研究有很大的局限性。上述方法均是針對葉片翼型的氣動噪聲進行的預測。在工程實際中，往往需要預測整個機組的氣動噪聲，只預測單一翼型的氣動噪聲意義不大。

FOCUS是用于風電機組及組件（如葉片）快速設計分析的軟件工具，該軟件集成了許多輔助風電機組和葉片設計的軟件工具及模型，可以進行葉片的鋪層建模、網(wǎng)格劃分、結(jié)構(gòu)分析、氣彈分析、葉片試驗以及氣動噪聲計算。該軟件計算速度快，并且可以預測整支葉片和整個機組的氣動噪聲。早在2007年，有研究機構(gòu)在風電場進行了噪聲的麥克風陣列試驗，驗證了FOCUS預測噪聲的可靠性。FOCUS模擬預測葉片的氣動噪聲已經(jīng)應用到工程實際中。

本文基于FOCUS 的SILANT噪聲預測模塊，針對各個噪聲源選用不同的預測模型，采用BPM模型預測紊流邊界層尾緣噪聲，采用Amie 和 Lowson模型預測湍動來流噪聲，另外模塊添加了葉尖渦流噪聲預測模型。結(jié)果分析了各噪聲源1/3倍頻中心頻率處的噪聲分布，同時對于噪聲預測不僅僅局限于單一翼型，采用能量疊加原理對噪聲進行疊加，從而計算出單支葉片和整個風輪的氣動噪聲，這對工程中預測和控制風電機組的噪聲水平有很大的指導意義。

預測噪聲的模型

風電葉片在運轉(zhuǎn)過程中，空氣氣流經(jīng)過葉片的前緣、葉片表面和葉片的尾緣。風電葉片產(chǎn)生的氣動噪聲是由空氣在葉片周圍流動產(chǎn)生的，如圖1所示。風電葉片與空氣氣流作用主要產(chǎn)生翼型自噪聲和湍動來流噪聲，而翼型的自噪聲主要是翼型湍流邊界層與尾緣相互作用產(chǎn)生的噪聲。

FOCUS 的SILANT噪聲預測模塊針對不同的噪聲源采用不同的計算模型。FOCUS預測葉片氣動噪聲的主要步驟如下：

（1）基于葉素理論，將風電機組葉片沿半徑方向均勻地劃分出若干個葉素，以單個葉素為研究對象。均勻劃分葉素的半徑范圍為［max（root，0.05*Radius），0.99*Radius］，最后一個葉素為（0.99* Radius，Radius），用來預測葉尖產(chǎn)生的噪聲。

根據(jù)不同噪聲源分別采用以下噪聲預測模型：

a.翼型湍流邊界層與尾緣作用產(chǎn)生的噪聲，采用BPM紊流邊界層尾緣噪聲模型：

圖1 風電機組葉片氣流流動示意圖

b.來流氣流與葉片前緣作用產(chǎn)生的來流噪聲，采用Amie 和 Lowson預測模型：

c.葉尖渦流與尾緣作用產(chǎn)生的葉尖噪聲預測模型：

（2）將翼型產(chǎn)生噪聲的模型應用到每個葉素上進行計算，將各噪聲源產(chǎn)生的噪聲進行疊加合成每個葉素的聲壓級。合成聲壓級時要按照對數(shù)法則，即能量疊加規(guī)律：

（3）為了更準確地分析葉片的噪聲，F(xiàn)OCUS分析了各噪聲源1/3倍頻中心頻率處的噪聲分布，最后綜合考慮各頻率將噪聲進行疊加合成，從而計算出單個葉片甚至是整個風電機組葉片的氣動噪聲：

圖2 風電葉片及其截面

根據(jù)噪聲的疊加理論，可以得出噪聲和的增加值表，如表1所示。

風電機組氣動噪聲的計算

一、風電機組及葉片參數(shù)

風電葉片的三維圖及截面如圖2所示。本文以展長為37.5m的某風電葉片為研究對象，該葉片采用NACA系列翼型，關(guān)鍵翼型分別為NACA63440、NACA63627、NACA62621、NACA63618。風電機組的主要參數(shù)如表2所示。

二、結(jié)果分析

通過FOCUS對風電機組的模擬計算，可以得到風電機組在穩(wěn)定工況下運轉(zhuǎn)時的氣動噪聲。在對噪聲進行評價時，通常采用A計權(quán)聲級。

（一）葉片展向噪聲

圖3 葉片沿展向位置的氣動噪聲分布

表1 噪聲和的增加值表（單位：dB(A)）

表2 風電機組主要參數(shù)

在計算過程中，基于葉素理論，分別計算來流噪聲、尾緣噪聲和葉尖噪聲，然后根據(jù)能量疊加規(guī)律將噪聲合成，從而得到葉片各葉素的氣動噪聲分布。如圖3所示（計算結(jié)果出現(xiàn)臺階是因為計算時取截面數(shù)較少），葉片氣動噪聲隨著展向距離增加不斷增大?？拷~尖位置，即r＝36.749m處的氣動噪聲最大，噪聲值約為86 dB（A）。根據(jù)噪聲疊加原理，當兩個噪聲值相差15dB（A），則可以忽略較低的噪聲值，所以可以忽略71 dB（A）以下的噪聲，即r＝0～21.71m范圍內(nèi)的噪聲值。從圖中可知，影響該葉片噪聲的范圍為r＝21.71～38m，即葉片展長的57%～100%，可作為加裝降噪裝置的依據(jù)。

（二）風電機組噪聲頻譜

FOCUS分別計算了葉片各個噪聲源的噪聲頻譜，為了更準確地分析葉片的噪聲，F(xiàn)OCUS分析了各噪聲源1/3倍頻中心頻率處的噪聲分布，并且將各噪聲進行疊加合成，計算出1/3倍頻中心頻率處的單葉片氣動噪聲。從圖4可以看出，風輪葉片的氣動噪聲屬于寬頻噪聲；單葉片噪聲在大部分頻率范圍內(nèi)與尾緣噪聲重合，所以葉片的氣動噪聲主要來源于尾緣產(chǎn)生的噪聲，而在低頻段20～200Hz，葉片的氣動噪聲主要來源于來流氣流與前緣作用產(chǎn)生的來流噪聲。

（三） 風輪整體氣動噪聲

FOCUS綜合考慮各頻率將噪聲進行疊加合成，從而計算出單個葉片甚至是整個風電機組葉片的氣動噪聲。從表3中可以看出，單個葉片產(chǎn)生的氣動噪聲為96.1 dB（A），整個風電機組產(chǎn)生的氣動噪聲為100.9 dB（A）。

三、計算結(jié)果驗證

某款展長為64m的葉片在展向位置約36m處采用了相對厚度為30%的DU97-W-30翼型，該翼型的后緣厚度為1.74%，采用FOCUS計算該葉片的氣動噪聲，雷諾數(shù)采用3×106，葉片沿展向位置的氣動噪聲分布如圖5所示。由圖可知葉片展向位置36m處的噪聲值約為61dB（A），與前人模擬的DU97-W-30翼型的實驗值60dB（A）接近，誤差在2%左右。

圖4 1/3倍頻中心頻率處噪聲分布

圖5 葉片沿展向位置氣動噪聲分布

表3 葉片及風電機組氣動噪聲（單位：dB(A)）

結(jié)論

通過以上計算及結(jié)果分析可以得出：（1） FOCUS可以用來預測葉片的氣動噪聲，其計算速度快；（2）FOCUS基于葉片各個噪聲源的預測模型對葉片整體的噪聲水平進行模擬，其計算準確且全面考慮到了前緣、尾緣、葉尖等噪聲源，使得計算結(jié)果更加準確；（3）計算不局限于單一翼型，可以計算整支葉片甚至風輪的噪聲，對工程實際中葉片氣動噪聲值有很重要的參考意義；（4）軟件進行了1/3倍頻中心頻率處的噪聲分析，葉片的氣動噪聲屬于寬頻噪聲，葉片氣動噪聲主要來自于尾緣，前緣主要產(chǎn)生低頻噪聲，在展向位置靠近葉尖位置噪聲最大；（5）對于該葉片而言，葉片噪聲的產(chǎn)生范圍約為57%～100%，可以為葉片加裝降噪附件提供位置參考，該范圍是否具有普遍性還需要進一步驗證。