风力机叶尖噪声数值模拟精品PPT课件

介绍
• Burton等人将气动噪声分为：显著的低频噪声， 入流湍流噪声和翼自身噪声。低频噪声是窄频 带，主要在风力机叶片转过塔架时产生，下风 型风力机比上风型风力机要明显得多。低频噪 声在上风型风力机（应用最广）中产生的可听 到的噪声并不大，可以通过增大叶片与塔架间 的距离来降到最低。入流湍流噪声和翼自身噪 声是宽频噪声，宽频噪声是所有型式风力机噪 声的主要组成部分。入流湍流噪声是由叶片与 大气紊流形成的涡间相互反应所产生的，它产 生几千赫兹频率噪声，观察者可听到‘飕飕的’
与虚线一致的弦长将被作为参考弦长大约为
0.23m。在以下部分中提到的网格间距都是 根据参考弦长给出。
风力机叶片的计算域如图Fig. 3所示
• 因风力机有两个叶片，
计算域由一个半球体
•
组成，这允许a,b表面
间的边界条件周期性
地实现。叶片绕X轴旋
转，半球体半径为80
倍的参考弦长，相当
于2倍的转子半径。总
u j xi
2 3
ij
uk xk
)
(7)
流动条件和几何条件
• 根据Nii 等人对MELIII 型风力机声学实验测量进 行数值模拟。声学测试在直径为15m两叶片的 上风型风力机,以67.9 rpm的恒速运行时进行。 叶尖速度比为7.5，叶尖速度为 53.3m/s,Ma=0.16。风速为8m/s时额定输出功 率为16.5kw。根据MEL系列翼型进行叶片设计 和制造，在叶片根部较厚，向叶尖处变薄。 （ Fig. 2左）转子叶片实际叶尖形状有弯曲前 缘和直后缘。与真实叶片相比，模拟中的弦长 在叶尖处没减小到0。 Fig. 2右边是S型叶尖形 状。 Fig. 2中虚线处基于弦长的雷诺数为1.2 ×106 。Re=c · U ∞/ ν
• 图12中的结果与实验风力机测量获得的趋 势相似。根据噪声测量实验，频率从 3.15KHz到6.3KHz有一个点源位于叶片顶端。 图12中在这些频率之间能观察到峰值出现， 暗示了模拟和实验测量间的一致性。频率 超过4KHz后，S型叶尖形状声压水平降低， 大约减小5dB。这是因为叶尖涡流与后缘间 的相互作用减弱。目前的结果提供给了一
些关于叶尖形状影响的信息。但没有明确 的定量比较。
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
19
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End 演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
图8为靠近叶尖 处的后缘压力
等高线。实际
叶片的结构更
为复杂，漩涡
与后缘间的相
互作用很明显。 S型叶尖形状的 等高线很光滑，
表示压力波动 要小得多。
图9显示了LES得 到的S型叶尖形 状风力机叶片顶 部的瞬时声压扰 动场。通过该图 可清晰地看到噪 声源在叶尖区， 向外扰动逐渐减 弱。扰动半径大 约为2个参考弦 长。
风力机叶尖噪声数值模拟
姓名：吴凯旋 专业：流体机械及工程
摘要
• 研究大型风力机产生噪声的机理并提出减小噪 声的方法，是提高风能的公众可接受性所必须 的。上风型风力机产生气动噪声的主要区域是 叶片后缘和叶尖。虽然户外商业风力机噪声测 量已经证明叶尖形状对噪声水平有很大的影响， 但是叶尖噪声产生的物理机理还没有完全了解。 在本文中用可压缩大涡模拟和声学类比法计算 由MELIII型风力机叶片旋转引起的远场宽频带 噪声。利用Earth模拟器可以用3亿个网格点进 行模拟。为了研究叶尖形状对噪声水平的影响， 实际叶尖形状和S型叶尖形状被模拟，并对各 自进行声学排放分析。
大涡模拟是气动声学研究的很好工具，它能 预测湍流频谱且能对引起噪声的非定场流动速 度和压力场动态测试，可以提供比RANS更精 确和完整的噪声产生模拟。作者用可压缩LES 模拟绕MEL012叶片截面的流动。
大涡模拟
• 流动模拟需要N-S方程的时间精确解，一个可
压缩N-S方程被应用，其方程如下：
Q t
图10为实际叶尖形状和 S型叶尖形状的压力扰 动等值面
实际叶尖形状 中，漩涡结构 非常复杂，且 发生漩涡输运 现象。而S型叶 尖形状的漩涡 结构较简单分 布较均匀。
图11为实际叶尖 形状和S型叶尖形 状的叶片后缘压 力扰动情况
实际叶尖形状 的顶端压力波 动比S型叶尖形 状要高
图12为模拟得到的两种叶尖形状声压频谱
x
j
(Fj
1 Re
G j）
0
（1）
ui
0
Q ui , Fj uiu j ij p , G j ij
（2）
E
Hu j
ij
uk
qj
其中,Q —The vector of conservative variables
Fj —无粘通量 Gj —粘性通量
• 剪切应力张量和热通量分别被定义为：
ij
(
t
)(
ui x j
u j xi
2 3
ij
uk xk
)
（3）
其中，t q—j Sm (a g1o1)r(inPrskyP亚rt ) 网ax2j 格粘性系数（4）
t (Cs )2 (2Sij Sij ) 12
(5)
g 1- exp( y 26.0)
(6)
Sij
1 ( ui 2 x j
声音。翼自身噪声由后缘噪声，叶尖噪声及失 速和边界层分离流动影响产生噪声所组成。后 缘噪声由湍流边界层与叶片后缘相互反应所产 生。边界层分离影响主要发生在叶片内部由于 较大的攻角。因在叶片这部分的实际流动速度 很小，所以产生噪声较小。强噪声区域位于叶 尖区域，后缘噪声和叶尖漩涡噪声是气动噪声 的主要部分。
共有3亿个网格点。计
算网格由765个沿翼型
表面的网格点和193个
垂直于翼型表面的网
百度文库格点组成的O型网格。
• 在自由域c处全翼展长度被用于精确模拟叶 尖涡。在自由域中的叶片被做得极薄（1 ×10-4倍的参考弦长）。自由域可被看作转 子叶片的扩展，在那里边界条件不适用。
• 吸入边由565个网格点组成，压力边有201 个网格点。 Figure 4 显示了一个翼型截面的 计算网格，Fig. 5 描绘了叶尖区域的网格。