论文部分内容阅读
风能是可再生能源中发展最快的清洁能源之一,大型水平轴风力机作为利用风能的重要装备,一直是人们研究的热点。近年来,随着分布式风电的推广,风电机组的装机位置越来越靠近人类活动范围,其噪声问题也日益凸显。有研究表明,风电机组产生的噪声会影响人们的身心健康,而叶片气动噪声是风电机组噪声的主要来源,因此本文开展了对风力机专用翼型与风力机叶片气动噪声的研究,并开展了减噪叶片外形优化设计。本文首先以风力机专用翼型NH02＿40为研究对象,采用CFD/FW-H方法,研究了来流参数对翼型气动噪声的影响,揭示翼型尾涡脱落与翼型气动噪声辐射的关系,结果显示:（1）0°至15°攻角范围内,3°攻角下该翼型气动噪声最低,除该攻角外,其它攻角下均呈现出攻角越大声压级越高的特点;同时发现翼型的气动噪声辐射水平与翼型尾缘后方脱落涡的强度存在正相关性,当翼型尾缘后方脱落涡的强度越高时,其噪声辐射水平也越高;翼型的气动噪声在弦线上下游方向相对较低,呈现出偶极子声源的传播特性;随着监测距离的增加,气动噪声下降明显;（2）风速增加翼型气动噪声上升明显;小攻角工况下,不同风速翼型气动噪声峰值所在频率较为接近,攻角较大时,风速越低翼型噪声峰值所在频率越小;同攻角不同风速下,同样呈现出翼型气动噪声辐射水平与翼型尾缘后方脱落涡的强度正相关的特性;两种风速下翼型气动噪声均呈现出偶极子声源的传播特性,随着攻角的增大,这种偶极子特性愈加不明显;（3）数值模拟结果显示湍流度变化对翼型气动噪声影响较小,这可能与计算域内湍流衰减较快有关,大部分攻角下,湍流度增加时,翼型的低频噪声有略微上升;不同湍流度下,翼型气动噪声辐射仍呈现出偶极子声源的传播特性。其次,本文以某3MW风力机为研究对象,耦合叶素动量理论与翼型气动噪声BPM理论,开发了风力机气动性能与叶片气动噪声一体化预测代码,并研究不同来流工况、不同运行参数下风力机叶片的气动噪声特性,对比了不同声源在风力机叶片气动噪声中的作用,结果显示:（1）BPM理论预测值与实验值吻合良好,即BPM理论可以用来预测风力机叶片的气动噪声;（2）风速增加,叶片湍流入流噪声变化较小,分离流噪声和湍流边界层尾缘噪声上升较为明显,叶片自激励噪声中钝尾缘噪声反而有所降低,风速从8m/s增加至16m/s,叶片总声压级上升了6.93d B;来流风剪切指数的变化对风力机叶片气动噪声的影响很小,风剪切指数由0增加至0.4,叶片总声压级的变化不超过0.15d B;来流湍流度的变化对叶片气动噪声影响较为明显,湍流度从5%增加至25%,叶片湍流入流噪声不断上升,但上升幅度逐渐变缓,总声压级共上升了6.86d B;（3）风轮转速增加,叶片湍流入流噪声有一定程度上升,叶片自激励噪声中钝尾缘噪声的上升最为明显,分离流噪声和湍流边界层尾缘噪声上升较为缓慢,风轮转速从10.8rpm增加至14.8rpm,叶片总声压级上升了4.67d B;桨距角增加,叶片湍流入流噪声基本没有变化,叶片自激励噪声中,分离流噪声与湍流边界层尾缘噪声下降较为明显,桨距角从-2°增加至2°,总声压级下降了3.57d B。最后,采用改进的NSGA-Ⅱ算法,基于风力机叶素动量理论和翼型气动噪声BPM模型,以叶片的外形参数为优化变量,将风力机年发电量最大、叶片气动噪声声压级最小作为优化目标,对3MW机组叶片的外形进行优化设计。结果显示:（1）风力机年发电量最大和气动噪声声压级最小的两优化目标之间存在相互制约的关系,当风力机年发电量增大,叶片气动噪声也随之上升;（2）通过本次优化设计,得到了满足年发电量不下降且气动噪声降低2.84d B（4.08%）的新叶片和满足气动噪声不上升且年发电量增加534.51MWh（4.87%）的新叶片。