风电叶片气动噪声数值模拟研究

风电叶片气动噪声数值模拟研究

摘要：为降低风电叶片气动噪声，运用耦合计算流体力学（Computational fluiddynamics，CFD）方法对风电叶片进行气动噪声数值模拟。本文运用流体动力学软件STAR-CCM+得到叶片表面压力分布。

研究发现：

叶轮旋转过程中，叶片表面声功率最大值主要靠近叶尖后缘区域。叶片加降噪结构后，其表面声功率最大值为96.33db，原叶片表面声功率为98.1db。此外，叶片加降噪结构后，其表面声功率最大值出现的区域比原叶片小。因此，在叶尖后缘处加降噪结构可以有效降低叶片表面声功率，同时大幅减小表面声功率最大值的分布区域。

关键词：风电叶片，气动噪声，CFD

目录

1. 前言 (3)

2. 风电叶片气动噪声分析模型 (3)

3. 风电叶片气动噪声分析 (4)

3.1. 风电叶片气动噪声分析 (4)

3.2. 风电叶片气动噪声计算 (5)

4. 结论 (6)

1.前言

近年来，风能在世界可再生能源中的比重日渐增长，成为各国能源工业关注的焦点。但是，随着人们环保意识的不断增强，以及风电场距离居民区越来越近，风力机气动噪声问题日益凸显，亟待有效的风力机气动噪声抑制技术。

风力机噪声主要来自于叶片气动噪声，叶片气动噪声是由于气流流经叶片界面产生分裂导致形成附面层及漩涡分裂脱离引起的一种非稳定流动噪声。通过在叶片靠近叶尖后缘处加降噪装置（锯齿）可以降低叶片气动噪声[1]。降噪结构可以改变各截面尾迹涡的脱落位置，从而增大了涡心之间的距离，抑制了脱落涡对尾迹流动的扰动，进而减小叶片表面的非定常压力脉动和尾迹涡引起的气动噪声。

目前，风电叶片气动噪声研究主要包括CFD方法和试验方法。许影博等运用低速开口风洞研究了采用锯齿型翼型尾缘来控制翼型噪声的方法[2-4]。Carlos A运用Proudman andLilley声学模型对锯齿尾缘的声学特性进行仿真分析[5]。试验方法需要较大的人力、物力，而数值模拟方法相对于试验方法其优点在于可以比较快速地进行噪声计算，有效缩短噪声计算周期，并且能够预测不同来流条件、不同参数下的噪声。

为确定风电叶片噪声源，运用CFD方法对风电叶片开展气动噪声分析，确定叶片气动噪声分析流程，为风电叶片气动噪声设计提供依据。

2.风电叶片气动噪声分析模型

风电叶片气动噪声分析计算模型如图1所示。将叶片三维模型导入CFD分析软件，在CFD软件中完成叶轮的装配，并建立流体分析静止域和旋转域。

图1 气动噪声模型

3.风电叶片气动噪声分析

3.1. 风电叶片气动噪声分析

（1）噪声分析模型为宽频噪声源Curle模型，湍流模型为K-Epsilon湍流模型，空气为

等密度，计算稳态条件下叶片表面噪声源分布。

（2）叶轮表面设置为无滑移壁面边界条件；

（3）入口采用速度入口边界条件，假定入口处具有相同的风速，不考虑风速切变的影响；

（4）出口采用0压力出口边界条件，即设定出口压力为大气压；

（5）静止域与旋转域交界处设置INTERFACE，使得计算数据可以在两个区域之间传递。

（6）采用多面体单元对计算域进行网格划分，网格模型，如图2所示。

图2 CFD分析整体网格模型

（7）采用旋转坐标系方法对风电叶片进行气动分析叶轮转速为恒定值。

3.2. 风电叶片气动噪声计算

由图3可知，叶片表面声功率分布，从叶根到叶尖逐渐增大。叶片表面声功率最大值为98.10db。叶片表面声功率最大值位于叶尖后缘处。

（a）压力面表面声功率分布（b）吸力面表面声功率分布

图3 叶片表面声功率分布

由图4可知，加降噪结构叶片表面声功率分布，从叶根到叶尖逐渐增大。加降噪结构叶片表面声功率最大值为96.33db。加降噪结构叶片表面声功率最大值位于叶尖后缘处。

图4 压力面表面声功率分布

为更好的确定叶片表面声功率的分布情况，对加降噪结构叶片的气动噪声分析结果进行处理，将最大值设置成原叶片声功率最大值。由图5可知，加降噪结构叶片表面声功率最大值分布区域相比原叶片有大幅度减小，并且，在相同位置区域，加降噪结构叶片的表面声功率也相应减小。

（a）加降噪结构叶片（b）原叶片

图5 吸力面表面声功率对比

4.结论

运用耦合CFD方法对风电叶片进行气动噪声分析，确定翼型气动噪声分析流程，结论如下：

（1）叶轮旋转过程中，叶片表面声功率最大值主要靠近叶尖后缘区域。

（2）叶片加降噪结构后，其表面声功率最大值为96.33db，原叶片表面声功率为98.1db。（3）叶片加降噪结构后，其表面声功率最大值出现的区域比原叶片小。

（4）在叶尖后缘处加降噪结构可以有效降低叶片表面声功率，同时大幅减小表面声功率最大值的分布区域。

参考文献

Matthew F. Barone. Survey of Techniques for Reduction of Wind Turbine Blade Trailing Edge Noise[R]. Sandia National Laboratories，2011.

ArceLeón, Carlos A. Modelling of Serrated Trailing Edges to Reduce Aerodynamic Noise in Wind Turbines using Computational Fluid Dynamics[J]. 2010.

许影博, 李晓东. 锯齿型翼型尾缘噪声控制实验研究[J]. 空气动力学学报,2012, 30（1）: 120-124.

P. G. Tucker. Fluid Mechanics and Its Applications[M]. 2014, pp 271-324.

J. Hurault, A. Gupta, E. Sloth, etc. Aeroacoustic wind tunnel experiment for serration design optimisation and its application to a wind turbine rotor[C]. 6th International Meeting on Wind Turbine Noise Glasgow, 2015: 20-23.