Page 131 - 《应用声学》2020年第6期
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第 39 卷 第 6 期 曾明伍等： 风力机叶片气动噪声的影响参数 925
本文选取基于 NACA、DU 翼型的某风力机叶
0 引言
片作为研究对象，针对翼型族、叶片几何参数、整机
参数、来流情况等因素，采用扬州大学开发的风力
我国风电产业保持高速发展，2018 年新增
风 电 并 网 装 机 容 量 高 达 2059 × 10 kW， 累 计 机翼型及风轮气动噪声计算软件计算噪声水平，该
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并网装机容量 1.84 × 10 kW，全年风电发电量 软件采用修正 BPM 模型分别计算翼型、叶片的气
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3660 × 10 kW·h [1] 。随着人们在低风速区大规模开 动噪声，对水平轴风力机叶片气动噪声的影响参数
发建设风电场，风力机越来越靠近城镇、港口等人 展开研究。
口密集地区，甚至分散式布置于人口密集区，风力
1 风力机叶片气动噪声预测模型
机运转产生的噪声与人类日常生活的矛盾日益显
现。风力发电机组发出的噪声会刺激人耳的前庭系 根据风力机叶片气动噪声产生机理，低频噪声
统，引起耳鸣、睡眠障碍等症状，这种现象被称之为 是由于塔影效应、风剪切效应和尾流效应等引起的
“风电场综合症” [2] 。因此，控制并降低风电机组的 来流速度的变化，使叶片与周期性来流相互作用产
噪声非常必要，如果不采取措施积极对待，则会阻 生压力脉动，形成周期性的、频率为叶片通过频率
碍风电产业的发展。风力发电机组的噪声主要包括 整数倍的离散噪声，人耳对低频噪声不敏感。来流
机械噪声和气动噪声 [3] ，机械噪声主要是由机舱内 湍流噪声是一种宽带噪声，它是由于叶片与来流湍
机械设备的振动产生，可以通过提高加工工艺、安 流相互作用产生涡旋而引起的，来流湍流噪声与叶
装精度等方法加以控制；气动噪声由气流与叶片相 片转速、翼型剖面和湍流强度有关 [9] 。翼型自身噪
互作用产生，包含低频噪声、湍流入流噪声、翼型 声主要是宽带噪声及声调噪声，包括尾缘噪声、失
自噪声 [4] 。国内外一些学者利用风洞试验和数值模 速噪声、钝尾缘噪声、叶尖噪声、层流涡噪声，主要由
拟对风力机气动噪声展开研究，Shen等 [5] 将可压缩 翼型边界层和翼型本身作用产生，主要包括 [10] ：
纳维 -斯托克斯 (Navier-Stokes, NS) 方程分离成不 (1) 尾缘噪声：由湍流边界层与叶片尾缘相互
可压缩流动方程和无黏声学方程，提高了仿真效 作用形成，其频率范围在 750 ∼ 2000 Hz，是风力机
率。Zhu 等 [6] 采用大涡模拟 (Large eddy stimula- 叶片主要的高频噪声。
tion, LES) 和FW-H声比拟方法对带尾缘锯齿的翼 (2) 失速或分离噪声：当攻角较大时边界层会
型段进行气动及气动声学仿真，调研了不同功角、锯 发生分离，吸力面的湍流涡变大，当湍流涡变成尾迹
齿长度、尾缘锯齿安装角、尾缘锯齿波长比的翼型 时产生分离流噪声。随着攻角增大到一定程度时，
的噪声水平，发现较小的尾缘锯齿波长比、负值的 边界层发生大规模分离，翼型完全失速，湍流涡的尺
尾缘锯齿安装角降噪能力更强。任旺等 [7] 采用LES 度变得非常大，产生失速噪声。
方法计算 DU91-W2-250 翼型的流场，利用 FW-H (3) 钝尾缘噪声：当尾缘厚度增大到一定程度
方法求解远场噪声分布，研究了 3 种翼型尾缘厚度 时，叶片尾缘会脱落出涡，产生卡门涡街，从而在叶
(相对于弦长分别为 0%、1.2%、2%) 对噪声的影响， 片尾缘上下表面产生周期振荡载荷，形成离散的钝
发现 2%和0% 尾缘厚度均降低了声压级，尤其是在 尾缘噪声，该噪声频率依赖于叶片尾缘形状、厚度和
1500 Hz以上的高频部分。相较于原始翼型，在监测 雷诺数，可以通过合理设计尾缘形状及厚度来降低。
点R 1 处，2%尾缘厚度噪声下降 8 dB，0%尾缘厚度 (4) 叶尖噪声：由于三维流动效应，在叶尖会形
下降约 10 dB；在监测点 R 2 处，2% 尾缘厚度下降 成叶尖涡，叶尖涡与叶尖相互作用产生叶尖涡噪声，
7.5 dB，0% 尾缘厚度下降约 9.3 dB。该文指明翼型 其产生机理类似于尾缘噪声。叶尖涡噪声与叶尖的
的噪声声压级水平和尾缘涡量的脱落密度、涡核能 几何形状有很大的关系，如果叶尖呈方形且比较厚，
量密度密切相关，2% 和 0% 尾缘厚度使得尾缘部分 则通常噪声会比较大。
的表面脉动压力频率下降，导致了较低的噪声水平。 (5) 层流涡噪声：层流涡噪声是由叶片表面的
郭茂丰等 [8] 考虑风力机叶片与空气的流固耦合作 缝隙和空穴引起的层流涡形成的噪声，是一种声调
用，基于 ANSYS workbench工作平台，采用双向流 噪声。当层流边界层的大部分至少存在于翼型的一
固耦合方法，预测风力机的气动噪声，并与额定工况 个面时，就会产生涡脱噪声，涡脱噪声主要是由尾缘
下的实验数据对比。 的涡脱落以及起源于尾缘上游层流边界层的不稳
