大型风力机气动噪声仿真与分析

韩宝坤，孙晓东，鲍怀谦，宋明超(山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590)



大型风力机气动噪声仿真与分析

韩宝坤，孙晓东，鲍怀谦，宋明超
(山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590)

摘要：以2 MW风力机为研究对象，用Pro/E进行三维建模，用Fluent对其流场和声场进行仿真分析。采用大涡模拟（LES）模型求解风力机流场非定常流动，获得流场漩涡强度和流线，采用FW-H声学模型计算气动噪声。结果表明，由叶根至叶尖漩涡强度和声压脉动逐渐加强，在叶尖区域达到最大值，叶尖区域是风力机噪声主要来源，叶片背风面漩涡强度和声压脉动比迎风面高，导致距风力机相同距离的背风面合成声压级高于迎风面，塔影效应是风力机气动噪声重要组成部分，气动噪声主要是中低频噪声。

关键词：声学；风力机；气动噪声；大涡模拟；塔影效应；漩涡强度；中低频噪声

风能是一种清洁可再生能源，取之不尽用之不竭，具有良好的应用前景和开发潜力。我国风电行业近几年一直保持高速发展，每年都保持百分之二十以上的增速，截止2014年底我国风电累计装机容量达到114 609 MW，成为继火电、水电之后的第三大电力能源。随着风力机的单机功率不断增大，大规模的风电场中风力机运行产生的噪声问题越来越突出，对人们的生产、生活造成影响。随着人们环境保护意识逐渐增强，对风力机气动噪声的研究变得越来越重要。以某2 MW风力机为研究对象，对风力机流场进行模拟与仿真，分析大型风力机气动噪声的产生原因与影响因素。

1　气动噪声计算公式

Fluent计算气动噪声采用FW-H[1]方程，FW-H方程是最通用的Lighthill声比拟方法，可以求解单极子、偶极子和四极子噪声。Fluent采用时域积分的方法，通过面积分计算指定位置的噪声[2]。可以选择多个源面和接收位置，也可以保存噪声源数据，或在瞬态流动求解过程中同时执行噪声计算。

FW-H方程如下

式（2）右边的第一项表示单极子声源，第二项表示偶极子声源，第三项表示四极子声源。对风力机气动噪声而言，单极子声源主要指叶片的厚度噪声，偶极子声源主要是由于叶片的非定常气动力所致，在低速流动中，偶极子占据了气动噪声的大部分。四极子声源主要与物面附近的非线性流动有关，在低速流动中，四极子声源可以忽略。

2　建模与仿真

2.1风力机参数

以某2 MW风力机为研究对象，风力机主要参数如表1所示。

表1　2 MW风力机参数

2.2三维模型建立与网格划分

(1)风力机三维模型建立

运用专业翼型设计软件Profili对翼型进行分析，获得沿叶片轴向不同叶素翼型的具体参数，叶片各截面翼型如图1所示。

将翼型参数导入Pro/E中进行风力机叶片三维建模，如图2所示。

图1　叶片各横截面翼型图

图2　叶片沿展向翼型分布

各截面翼型由叶根至叶尖扭角逐渐减小，以得到最大的升阻比，叶片长44 m，叶根直径3 m，最大弦长4.5 m，轮毂直径5 m，叶轮直径93 m，机舱长度13m，塔筒高度90m，三维模型如图3所示。

图3　风力机三维模型

(2)流场建立及网格划分

将三维模型进行网格划分，建立的外包围圆柱直径为280 m，长度为800 m，其中速度入口段长度为200 m，压力出口段长度为600 m，压力出口段长度为风力机叶轮直径的6.5倍，以满足尾流涡旋的长度。采用非结构化四面体网格对流场区域进行分块网格划分，如图4所示。

图4　风力机分块网格划分

风力机叶轮旋转圆柱和塔架机舱周围由于动网格旋转和涡流强度大，要求精度高，因此对这一区域网格做加密处理。对周围包围流场划分精度较低,网格总数达500多万。

2.3流场模拟

(1)湍流模型选择

选择大涡模型（LES），次网格模型选择动态Smagorinsky-Lilly模型。这种组合方法在高雷诺数流动情况下，对流动转捩和近壁流动问题特别是捕捉叶轮附近流场的变化有较好的模拟效果。

(2)边界条件

假设入口边界具有相同大小的风速，且不考虑垂直风切变的影响，设置入口为速度入口边界，来流风速为10.8 m/s，湍流强度为0.12。设置出口边界为压力出口，出口压力等于大气压强。

(3)动网格设置

风力机叶轮的旋转需要用到被动型动网格，不同于一般的动网格，这种动网格边界运动规律是未知的，需要通过计算气流作用于叶片边界上的力和力矩，以此求取边界的运动参数，这种运动规律随风速的变化而变化。采用6 DOF模型计算被动型动网格。利用该模型时，需要确定计算叶轮的质量、三个方向的转动惯量及惯性矩、重心坐标。而这些参数的获取需要通过编译型UDF宏文件，FLUENT加载时，需要调用Microsoft Visual C++将其编译成DLL文件。动网格采用Remeshing方法，Size Remeshing Interval设置为1。

（4）求解方法

采用分离式求解器（Segregated Solver）进行求解，压力速度耦合采用的是压力隐式算法PISO与PRESTO结合求解。PISO算法可以减少SIMPLEC 与SIMPLE在求解压力修正方程过程中的反复计算问题，在每次迭代中需要占用更多的CPU资源，但可以显著地减少收敛所需要的迭代次数，并且计算稳定性高，特别是针对瞬态问题。

2.4声场模拟

（1）声学模型选择

选择Ffowcs-Williams&Hawkings(FW-H)声学模型，导出ASD格式的噪声源数据，定义噪声源为叶轮和机舱塔架，定义噪声监测点。监测点沿风力机叶轮轴线方向间隔100 m前后对称布置，距地面1m。

（2）噪声信号分析

继续进行迭代计算至少一个周期，选择之前定义的噪声源和监测点，导入ASD格式的噪声源数据文件，进行噪声信号分析。

（3）快速傅里叶变换

进行快速傅里叶变换（FFT），将监测点噪声的时域信号转换为频域信号，计算监测点的噪声功率谱密度，得到功率谱密度频谱图。计算监测点噪声声压级，得到声压级频谱图和合成声压级。

3　结果分析

3.1流场结果分析

（1）风力机叶轮表面的漩涡强度云图如图5、图6所示，图5为叶轮迎风面漩涡强度分布云图，图6为叶轮背风面漩涡强度分布云图。

从图5和图6的对比可以看出，叶轮背风面的漩涡强度明显高于迎风面，而且由叶根至叶尖漩涡强度逐渐增大，在叶尖区域漩涡强度达到最大值。

（2）图7和图8分别为叶片未经过塔架时的塔架和叶片横截面流线图，图9为叶片经过塔架时的横截面流线图。对比可以看出，当叶片旋转经过塔架时，由于塔架对气流的堵塞作用，叶片背风面后缘区域漩涡明显增多，叶片与塔架之间的流线密集度增加，塔架迎风面来流量明显增大，塔架背风面漩涡明显增多。这是由于叶片对气流的切割和挤压，使流过叶片的气流湍流强度增加，产生大量漩涡，并且流速增大流向改变，当这些高速气流撞击塔架时，产生分流的同时漩涡强度和流速进一步增大，在塔架背面产生大量漩涡。塔架周围风速的剧烈变化直接影响着叶片绕流流场，同时，叶片的旋转和绕流又影响着塔架周围的流动，这就是风力机的塔影效应。

图7　塔架横截面截面流线图

图8　叶片横截面流线图

图9　叶片经过塔架时横截面流线图

3.2声场结果分析

（1）图10为风力机叶轮和塔架表面声压脉动的时均值云图。从图中可以看出，在叶轮上声压脉动由叶根至叶尖逐渐增大，在叶尖区域达到最大值，这与上面得到的漩涡强度分布规律相符，表明风力机气动噪声大小与漩涡强度有直接关系。

图10　声压脉动时均值云图

（2）如图10所示，塔架中部也就是叶尖旋转经过区域的声压脉动最大，并且向两边逐渐减小，这与上面分析的塔影效应相符合。塔影效应引起叶片和塔架周期性非定常相互作用下气动噪声的周期性波动，由叶根至叶尖线速度逐渐增大，气流相对速度和湍流强度也随之逐渐增大，气流对塔架的冲击也逐渐增强，导致在叶尖经过区域的塔影效应最明显，声压脉动也最大。

（3）表2为风力机噪声监测点合成声压级。对比风力机各噪声监测点合成声压级可以看出，在距风力机塔架相同距离的背风面的合成声压级比迎风面的高约1 dB～2 dB。这与上面分析的叶轮背风面漩涡强度高于迎风面漩涡强度的结果有关，也与塔影效应产生的涡流有关。

表2　风力机噪声监测点合成声压级对比

（4）图11为风力机迎风面200 m处的功率谱密度频谱图，图12为风力机迎风面200 m处的声压级频谱图。由图12可以看出，风力机气动噪声表现为一种宽频噪声，从图11可以看出，噪声主要集中在0～1 500 Hz频段内，大于1 500 Hz之后功率谱密度明显降低，主要是中低频噪声。

图11　迎风面200m处功率谱密度频谱图

图12　迎风面200m处声压级频谱图

4　结语

（1）风力机叶片附近的漩涡强度由叶根至叶尖逐渐增大，在叶尖区域达到最大值，噪声声压脉动也由叶根至叶尖逐渐增大，在叶尖区域达到最大值，二者相符，证明叶尖区域是风力机气动噪声的主要来源。

（2）风力机叶片背风面的漩涡强度高于迎风面，背风面声压脉动比较大，导致距风力机相同距离的背风面监测点合成声压级高于迎风面监测点合成声压级。

（3）塔影效应对风力机流场和声场影响很大，是风力机气动噪声的重要组成部分。

（4）风力机气动噪声主要是中低频噪声。

参考文献：

[1] Ffowcs Williams J E, HawkingsD L. Sound generated by turbulence and surfaces in arbitrary motion [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society, 1969, A264(1151):321-342.

[2]刘雄，罗文博.风力机翼型气动噪声优化设计研究[J].机械工程学报，2011，47(14)：134-139.

[3]司海青，王同光.风力机噪声的预测方法研究[J].空气动力学学报，2011，29(6)：801-804.

[4] FLEIG O. Wind turbine blade tip flow and noise prediction by large-eddy simulation[J]. Journal of Solar Energy Engineering,, Transactions of the ASME, 2004, 126（4）:1017-1024.

[5] HelgeA M. Low frequency noisefrom MW wind turbines mechanisms of generation and its modeling[D]. Denmark:Technical University of Denmark. 2008.

[6] James F. Characterization and impact of low frequency wind turbine noise emissions[D]. Ontario:University of Windsor. 2012.

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

作者简介：韩宝坤（1971-），男，山东莱芜人，教授，研究方向为振动与噪声控制。E-mail:bk_han@163.com

基金项目：山东省自然科学基金资助项目（ZR2012AM011）

收稿日期：2015-09-29

文章编号：1006-1355(2016)02-0158-04+193

中图分类号：TB533

文献标识码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.035