Page 132 - 《应用声学》2020年第6期

926 2020 年 11 月

定波动循环流动引起的。层流涡噪声是一种离散噪 片总气动噪声源，见式(1)和式(2)：
声，对大型风力机来说可以忽略。 ( ∑ )
L i = 10 lg 10 0.1(SPL j +K A ) , (1)
美国可再生能源实验室的 Brooks、Pope 和 Total
j
Marcolini 提 出 了 用 于 风 力 机 翼 型 的 半 经 验 噪 ( )
∑ 0.1L i
声 预 测 模 型 [11] ， 该 模 型 (简 称 为 BPM 模 型) 对 L Total = 10 lg 10 Total , (2)
i
NACA0012 翼型 (弦长不同) 进行大量的气动和声
其中：L i 为第 i个叶素的噪声源；SPL j 为不同类
学测量，包含 5 种风力机叶片翼型自噪声半经验 Total
型的噪声源；K A 为 A 加权值；L Total 为叶片的总噪
模型 [12] 。在无大分离流动时，该模型的计算速度
声源，由所有叶素的噪声源叠加得到 [15] 。
和精度基本可以满足工程需要，但是由于受翼型
风力机叶片气动噪声不同于风洞中相对理想
几何参数、来流情况的影响，采用同一公式计算
状况下的翼型气动噪声，实际运行中受到湍流来流
不同翼型的边界层参数会出现一定偏差。基于该
作用和风切作用，因此必须将 BEM 方法与翼型噪
模型，Lowson [13] 改进了边界层参数计算，Moriarty
声机理单向耦合。除翼型自噪声以外，在湍流来流
等 [14] 也对半经验预测方法进行了改进。Zhu 等 [15]
作用下还会产生湍流来流噪声，见式 (3)，各参数请
和 Leloudas 等 [16] 基于半经验预测模型，采用了带
参考文献[15]。
有新叶尖修正的叶素动量理论 (Blade element mo-
mentum, BEM) 模型，考虑了风剪切、塔影效应、 SPL H =
Inflow
湍流强度和湍流长度尺度对不同叶片截面的影响， [ ∆l ]
2 2
ˆ 2 −7/3
3 2 ˆ 3
10 lg D h ρ c L M I k (1 + k ) + C. (3)
建立了风力机翼型及叶片气动噪声预测模型，并 o r 2
与 Bonus 300 kW 实验风机进行对比，验证了模型
图 1 表示三叶片风力机采用 BEM 求解每个叶
对风力机噪声源的仿真能力。除此以外，柏宝红
素的相对来流速度与入流攻角，每个位置对应不同
等 [17] 发现传统 BPM 半经验预测公式高估了压力
的流速、马赫数、攻角、边界层厚度、扭角、弦长等翼
面声源，进而将压力面与吸力面的声源噪声辐射
型参数，是翼型自噪声计算的必要输入参数 [18] 。输
的幅值比与边界层位移厚度的关系做了修改，由
入弦长、扭角、相对厚度、尾缘钝度等叶片几何外形
原来的一次方关系改进为二次方，采用改进后的
参数，以及来流风速、来流风向、来流的湍流度大小、
公式对 NACA0012 及较厚的风力机专用翼型 DU-
偏航、仰角等整机参数，计算风力机叶片总气动噪
96-W-180进行仿真，结果表明进后的模型具有较高
声源。风力机叶片气动噪声传播受多种影响因素，
精度。
包括声波扩展、传播距离、大气吸收、温度、地形等
将叶片离散为有限个叶素，对每个叶素采用修
因素，噪声衰减公式如下：
正 BPM 模型计算翼型自噪声，该模型可适用于不
同翼型、不同工况，更适用于风力机叶片气动噪声 SPL = PWL + L DI + L CA + L spread
预测工程领域。将所有叶素进行噪声叠加，得到叶 + L att + L meteo , (4)

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图 1 翼型噪声机理与 BEM 结合示意图 [18]
Fig. 1 Schematic diagram of combination of airfoil aerodynamic noise mechanism and BEM theory [18]