任常在，代元軍，李保華，徐立軍

（新疆工程學(xué)院電力工程系，新疆 烏魯木齊 830091）

V型葉尖結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)近尾跡流場(chǎng)及聲場(chǎng)特性影響的仿真研究

任常在，代元軍，李保華，徐立軍

（新疆工程學(xué)院電力工程系，新疆 烏魯木齊 830091）

基于計(jì)算流體力學(xué)方法，利用FW-H聲學(xué)計(jì)算方程分析不同V型葉尖結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)近尾跡流場(chǎng)和聲場(chǎng)造成的影響，分析額定尖速比下不同V型葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)、渦量場(chǎng)分布情況及葉尖區(qū)域內(nèi)聲壓值的變化規(guī)律。結(jié)果表明：合理改變?nèi)~尖結(jié)構(gòu)能夠有效改善風(fēng)力機(jī)葉輪葉尖速度分布情況，進(jìn)而改變?nèi)~輪葉尖處渦量場(chǎng)的大小；V型葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)葉尖處產(chǎn)生的渦量小于未改型葉尖型風(fēng)力機(jī)；V型葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)基頻所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)噪聲總聲壓級(jí)低于未改型葉尖型風(fēng)力機(jī)4～6dB，降幅在4.72%～6.39%；V型葉尖的高度是影響風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲和葉尖渦噪聲降低的主要因素。

風(fēng)力機(jī)；V型葉尖結(jié)構(gòu)；流場(chǎng)；聲場(chǎng)；渦量

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)保持快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，大量的研究成果促使風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能有所提高，尤其在風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)和葉片外形設(shè)計(jì)方面已經(jīng)得到了較快的發(fā)展，但是風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)風(fēng)場(chǎng)周圍安裝環(huán)境要求較高，并對(duì)自然環(huán)境有一定的影響，尤其是其運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲對(duì)環(huán)境影響頗為重要。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中噪聲的來(lái)源主要有空氣動(dòng)力性噪音和機(jī)械噪音，機(jī)械噪音主要是由風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中機(jī)械摩擦造成，而空氣動(dòng)力性噪音主要來(lái)源于葉片和氣流的耦合過(guò)程，研究發(fā)現(xiàn)葉片的葉尖周圍區(qū)域是主要噪聲源之一[1]，因此有必要通過(guò)研究新型的葉尖結(jié)構(gòu)來(lái)改變?nèi)~尖周圍流場(chǎng)特性以降低葉尖區(qū)域噪聲。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)力機(jī)葉尖產(chǎn)生的噪音研究主要應(yīng)用手段是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及CFD流體分析軟件，2000年Singer等[2]利用計(jì)算流體力學(xué)CFD方法獲得翼型附近的流場(chǎng)信息作為輸入，通過(guò)FW-H積分研究翼型尾緣噪聲的聲學(xué)特性。Jiang等[3-4]利用CAA方法對(duì)翼型自噪聲進(jìn)行了高階準(zhǔn)確度數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)隨著翼型攻角的增加，純音分量向低頻移動(dòng)并最終呈寬頻化特征。Fleig等[5]開(kāi)展了風(fēng)力機(jī)葉尖噪聲的數(shù)值模擬研究，運(yùn)用大渦模擬方法LES模擬了MEL III風(fēng)力機(jī)的葉片繞流流場(chǎng)，并利用FW-H積分給出了風(fēng)輪的遠(yuǎn)場(chǎng)寬帶噪聲預(yù)測(cè)。Marsden等[6]和Iida等[7]也對(duì)風(fēng)力葉尖渦寬頻噪聲進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8]中研究了有無(wú)葉尖S型小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)特性的影響，指出有S型小翼的風(fēng)力機(jī)能夠提高風(fēng)輪的輸出功率，且葉尖渦量強(qiáng)度有所減弱，降低了氣動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)[9]基于CFD軟件對(duì)S系列新翼型風(fēng)力機(jī)葉尖近尾區(qū)域進(jìn)行了流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算及分析，并得出采用分區(qū)域過(guò)渡層網(wǎng)格的方法可以有效捕捉葉尖渦形成的位置和大小，能夠獲得高準(zhǔn)確度的計(jì)算結(jié)果。文獻(xiàn)[10]利用大渦模擬（LES）數(shù)值方法計(jì)算了NREL Phase VI HAWT的尾跡流場(chǎng)的流動(dòng)特性，同時(shí)利用FW-H方程得到了頻率在500 Hz以下的聲壓值變化，發(fā)現(xiàn)了葉尖氣動(dòng)噪聲是由葉尖處的渦流引起的，并且葉尖氣動(dòng)噪聲和來(lái)流風(fēng)速成線性變化關(guān)系。李少華等[11]使用CFD軟件對(duì)1.2MW風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行了分析，采用SST k-w湍流模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并得到了其不同截面上的壓力，速度及湍動(dòng)能對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出功率的影響。朱生華[12]對(duì)不同葉尖結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)功率及氣動(dòng)噪聲影響進(jìn)行了數(shù)值研究，并得出葉尖區(qū)域的噪聲最大，齒形槽和弧形槽風(fēng)輪的降噪效果優(yōu)于傳統(tǒng)葉尖。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于風(fēng)力機(jī)葉尖結(jié)構(gòu)降噪方面的研究工作主要是通過(guò)添加附著物來(lái)改變?nèi)~尖區(qū)域的流場(chǎng)變化特性，而利用風(fēng)力機(jī)葉尖改型的方法處在探索中，那么改型后葉尖噪聲的變化情況和如何快速而準(zhǔn)確地得到改型后風(fēng)力機(jī)葉處流場(chǎng)和噪聲場(chǎng)的特性是一個(gè)值得研究的問(wèn)題，這些研究?jī)?nèi)容可對(duì)風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)提供參考，也有助于從葉尖氣動(dòng)結(jié)構(gòu)改型尋找風(fēng)力機(jī)降噪技術(shù)。本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFD，描述葉尖改型前后風(fēng)力機(jī)近尾跡流場(chǎng)的變化特性，以及利用FW-H方程得到相對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)噪聲頻譜圖，找到不同尺寸參數(shù)的兩種V型葉尖結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)近尾跡葉尖區(qū)域流場(chǎng)及噪聲場(chǎng)的影響規(guī)律。

1 風(fēng)力機(jī)模型

1.1 物理模型

采用S系列某翼型水平軸風(fēng)力機(jī)為計(jì)算物理模型，其葉片長(zhǎng)度為600 mm，風(fēng)輪直徑為1.2 m，啟動(dòng)風(fēng)速2 m/s，額定風(fēng)速8 m/s，額定功率為300 W，葉片數(shù)為3，額定尖速比為5.5，風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速為750r/min。三維坐標(biāo)定義：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸與葉片葉尖翼型前緣點(diǎn)所在的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面，垂直的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸正方向?yàn)閬?lái)流風(fēng)速方向，Y軸正方向?yàn)榇怪眮?lái)流方向向左，Z軸正方向垂直于地面向上。V型葉尖結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，其幾何參數(shù)包括寬度a、高h(yuǎn)、開(kāi)角θ。

圖1 V型葉尖結(jié)構(gòu)尺寸圖

采用正交試驗(yàn)方案，得到2種不同尺寸的V型葉尖，分別是 V 型葉尖-1（a=3cm，h=2.6 cm，θ=60°）和 V 型葉尖-2（a=1.8cm，h=5.3cm，θ=20°）。 然后對(duì)未改型和改型后2種不同V型葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行三維建模。圖2為未改型葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)葉片模型，圖3為V型葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)葉片模型。

1.2 網(wǎng)格劃分

圖2 未改型葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)葉片模型

圖3 V型葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)葉片模型

模型風(fēng)力機(jī)由輪轂和3個(gè)葉片構(gòu)成，由于葉片表面幾何曲面多而雜，需要采用網(wǎng)格加密處理風(fēng)輪表面及周圍的旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域，為了獲得流場(chǎng)的變化細(xì)節(jié)，需將計(jì)算區(qū)域劃分為3個(gè)區(qū)域分別是：旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域，風(fēng)力機(jī)區(qū)域，非旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域，分別采用函數(shù)size function對(duì)這3個(gè)計(jì)算區(qū)域及邊界近壁面進(jìn)行加密處理，并使用Tgrid網(wǎng)格類型對(duì)該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪區(qū)域網(wǎng)格數(shù)173×104，外部旋轉(zhuǎn)流體小區(qū)域網(wǎng)格數(shù)124×104，進(jìn)出口流場(chǎng)區(qū)域網(wǎng)格數(shù) 65×104，總網(wǎng)格數(shù)約為 362×104，圖 4 為物理模型及網(wǎng)格劃分圖。

圖4 物理模型及網(wǎng)格劃分圖

1.3 數(shù)學(xué)模型

葉尖結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲的影響實(shí)質(zhì)是不同葉尖結(jié)構(gòu)處流場(chǎng)與噪聲場(chǎng)之間的耦合關(guān)系，可以用同一個(gè)物理模型不同的求解器分別計(jì)算流場(chǎng)及噪聲場(chǎng)，對(duì)應(yīng)的為流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型及噪聲場(chǎng)數(shù)學(xué)模型。

1.3.1 流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

為了便于計(jì)算，首先假設(shè)葉片為剛體結(jié)構(gòu)，并且葉片表面存在的幾何變形不予以考慮。選擇的求解器是有限體積法，求解的控制方程組為旋轉(zhuǎn)參考系下的不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes方程組，其控制方程為

式中：Ω——以S為邊界的控制體；

W——守恒變量；

t——時(shí)間；

FC——對(duì)流通量；

FV——粘性通量；

Q——體積力源項(xiàng)。

式中：nx、ny、nz——X、Y、Z方向?qū)?yīng)的單位法向量；

ρ——空氣密度；

u——X方向速度分量；

ν——Y方向速度分量；

w——Z方向速度分量；

P——壓強(qiáng)；

V——速度；

fex、fey、fez——X、Y、Z方向的質(zhì)量力；

1.3.2 噪聲場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

噪聲計(jì)算所使用的物理模型與流場(chǎng)計(jì)算的物理模型相同，都是假設(shè)葉片為剛體結(jié)構(gòu)，并且葉片表面存在的幾何變形不予以考慮，流場(chǎng)計(jì)算方法采用大渦模擬LES，噪聲計(jì)算采用FW-H控制方程，控制方程如下：

LES控制方程：

FW-H控制方程：

1）廣義動(dòng)量方程

2）廣義連續(xù)方程

式中：p——應(yīng)力張量；

δij——克羅內(nèi)克符號(hào)；

δ（f）——狄拉克函數(shù)

f（x，t）——封閉控制面；

H（f）——Heaviside函數(shù)。

1.3.3 定解、邊界條件

流場(chǎng)基于穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動(dòng)的三維定常雷諾時(shí)均N-S方程進(jìn)行數(shù)值模擬，噪聲場(chǎng)基于非穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動(dòng)，采用隱式求解器segregate三維非穩(wěn)態(tài)算法，采用LES中的 subgrid-scale model紊流模型，對(duì)流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合采用PISO算法，將空氣視為理想氣體，采用默認(rèn)的參數(shù)設(shè)置，雷諾數(shù)Re=1.5×106，進(jìn)口速度設(shè)置為8m/s，速度出口選擇為自由出流，風(fēng)力機(jī)葉片和輪轂選用wall邊界，以X軸為旋轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)速為750 r/min壁面無(wú)滑移，旋轉(zhuǎn)區(qū)域與非旋轉(zhuǎn)區(qū)域交界面采用interface，使旋轉(zhuǎn)區(qū)域與非旋轉(zhuǎn)區(qū)域有速度的交換，選取風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角度為1°所需時(shí)間為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)Δt=0.00022222s，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)3600°后，風(fēng)力機(jī)近尾跡流場(chǎng)特性變化一般趨于穩(wěn)定，然后對(duì)聲場(chǎng)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的流動(dòng)各參量數(shù)值進(jìn)行采集。

1.4 流場(chǎng)及噪聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的合理性，在風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)3600°后，對(duì)未改型葉尖風(fēng)力機(jī)的近尾跡截面X=0mm處的渦量分布及葉尖監(jiān)測(cè)點(diǎn)出聲壓值進(jìn)行讀取，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在風(fēng)力機(jī)近尾跡區(qū)域X=0mm截面處渦量分布、葉尖監(jiān)測(cè)點(diǎn)處噪聲變化規(guī)律與相關(guān)文獻(xiàn)的PIV實(shí)驗(yàn)、噪聲實(shí)驗(yàn)[13-15]測(cè)試和計(jì)算結(jié)果基本相似，也證明本研究方法是合理可行的。

2 仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)3種葉尖風(fēng)力機(jī)在相同的初始參數(shù)下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到不同葉尖結(jié)構(gòu)在同一截面下的流場(chǎng)及渦量場(chǎng)。

2.1 流場(chǎng)分析

3種葉尖在X=0 mm截面處的流場(chǎng)云圖見(jiàn)圖5，3種葉尖結(jié)構(gòu)的速度云圖分布相似，從葉根到葉尖流場(chǎng)速度依次增大，且葉尖處速度最大，最大速度在44.3～45.9m/s之間，其中，未改型葉尖速度＞V型葉尖-1速度＞V型葉尖-2速度，最大速度分別為45.9，45.6，44.3m/s。

圖5 3種葉尖在X=0mm截面處的流場(chǎng)云圖

圖6 3種葉尖在X=0mm截面處的渦量場(chǎng)云圖

3種葉尖在X=0 mm截面處的渦量場(chǎng)云圖見(jiàn)圖6，3種葉尖結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中在葉尖區(qū)域都存在較大的渦量值，傳統(tǒng)直葉尖渦量值最大，為514s-1，V型葉尖-1葉尖為497s-1，V型葉尖-2葉尖為485 s-1，V型葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)葉尖區(qū)域渦量值較小，說(shuō)明被渦量轉(zhuǎn)化的噪聲越小，V型葉尖結(jié)構(gòu)具有一定的降噪特性。

圖7 3種葉尖監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的噪聲頻譜圖

圖8 尖速比5.5，X=-10mm，Z=0mm，Y=0～1000mm時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)

對(duì)比不同葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的流場(chǎng)與渦量場(chǎng)，葉尖速度最大的未改型葉尖風(fēng)力機(jī)的葉尖渦量值也最大，葉尖速度低于未改型葉尖的V型葉尖-1、V型葉尖-2葉尖處渦量值也小于未改型葉尖渦量值。渦量值最大值出現(xiàn)在葉尖周圍區(qū)域，同時(shí)V型葉尖結(jié)構(gòu)使得大渦破碎成小渦，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度減弱，渦量值變小。

2.2 噪聲分析

選取截面X=-15mm上，葉尖區(qū)域中（-0.15，0.6，0）為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，抽取3種不同葉尖的風(fēng)力機(jī)的額定尖速比為5.5，轉(zhuǎn)速為750r/min同一點(diǎn)處的頻率-聲壓值，圖7為3種葉尖監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的噪聲頻譜圖。

從圖中可以看出葉尖改型前后的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪噪聲的頻譜圖峰值都出現(xiàn)在基頻37.5 Hz以及整數(shù)倍數(shù)的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)基頻諧波關(guān)系的頻率75，112.5，150，187.5，225，262.5，300，337.5，375 Hz上，在頻率超過(guò)500Hz時(shí)，未改型葉尖風(fēng)力機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的聲壓值趨于穩(wěn)定，其聲壓級(jí)總體處于40～50dB，當(dāng)頻率超過(guò)1 000Hz時(shí)，V型葉尖風(fēng)力機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓值趨于穩(wěn)定，V型葉尖-1該監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻譜圖聲壓級(jí)總體處30～40dB，V型葉尖-2該監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻譜圖聲壓級(jí)總體處于 20～30dB。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)改型后降低了風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)基頻及其諧波關(guān)系頻率所對(duì)應(yīng)的聲壓值的大小，隨著V型葉尖高度增大，旋轉(zhuǎn)基頻及其諧波關(guān)系所對(duì)應(yīng)的頻譜圖峰值下降，未改型葉尖、V型葉尖-1、V型葉尖-2風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)基頻對(duì)應(yīng)的頻譜圖峰值依次為91.48，87.16，85.63dB。與未改型葉尖風(fēng)輪比較，V 型葉尖-1、V型葉尖-2風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)基頻分別降低了4.32，5.85dB，降幅分別為 4.72%，6.39%。

為了找到改型前后風(fēng)力機(jī)近尾跡區(qū)域噪聲的變化規(guī)律，選擇X=-10mm，Z=0 mm，Y=0～1000mm，每隔100 mm設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)10監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓值變化，如圖8所示。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3種葉尖結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)在葉輪旋轉(zhuǎn)內(nèi)部噪聲較大，聲壓值沿著葉片徑向變化呈現(xiàn)降低、升高、再降低的脈動(dòng)變化規(guī)律，最大聲壓值出現(xiàn)在葉尖區(qū)域。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于計(jì)算流體力學(xué)，流場(chǎng)計(jì)算方法采用大渦模擬LES，噪聲計(jì)算采用FW-H控制方程，對(duì)300W水平軸風(fēng)力機(jī)模型的不同V型葉尖結(jié)構(gòu)在非定常流動(dòng)中的流場(chǎng)及渦流噪聲進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)V型葉尖結(jié)構(gòu)使得大渦破碎成小渦，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度減弱，渦量值變小，可以有效降低葉尖區(qū)域的渦流噪聲。研究結(jié)果表明：在風(fēng)輪葉尖區(qū)域周圍存在較大的渦量場(chǎng)，聲壓值沿著葉片徑向變化呈現(xiàn)降低、升高、再降低的脈動(dòng)變化規(guī)律，最大聲壓值出現(xiàn)在葉尖區(qū)域，并且流場(chǎng)、渦量場(chǎng)、噪聲值有相對(duì)應(yīng)變化關(guān)系；V結(jié)構(gòu)葉尖對(duì)風(fēng)力機(jī)葉尖區(qū)域噪聲的存在一定影響，V型葉尖降噪效果優(yōu)于未改型葉尖，聲壓級(jí)降幅分別在4.72%，6.39%。

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（編輯：李妮）

Simulation study on V-type tip structure's impact on near-wake flow field and sound field of wind turbine

REN Changzai， DAI Yuanjun， LI Baohua， XU Lijun
（Department of Electric Power Engineering，Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi 830091，China）

In this paper，based on the computational fluid dynamics method and the FW-H equation，the impact of different V-type tip structures on the near-wake flow field and sound field of wind turbine was analyzed and under the rated tip-speed ratio，the flow field and vorticity field distribution and the sound pressure variation in the tip area were analyzed on different V-type tip structures of wind turbine.The results show that changing tip structure reasonably can improve the tip-speed distribution on impeller of wind turbine effectively and hence change the size of vorticity field at tip of the impeller.The vorticity at the tip of the V-type tip structure wind turbine is less than that of unmodified tip type structure wind turbine.The total sound pressure level of rotating noise of V-type tip structure wind turbine at rotating base frequency is 4-6 dB lower than that of unmodified tip type structure wind turbine，with a decline of 4.72%-6.39%.The height of the V-shaped tip is the main factor affecting rotor rotating noise and tip vortex noise reduction.

wind turbine； V-type tip structure； flow field； sound field； vorticity

A

：1674-5124（2017）07-0128-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.025

2016-10-18；

：2016-12-03

新疆維吾爾族自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015211A012）

任常在（1989-），男，遼寧朝陽(yáng)市人，講師，碩士，主要從事新能源應(yīng)用技術(shù)方面的研究工作。

代元軍（1978-），男，河南正陽(yáng)縣人，教授，博士，主要從事新能源應(yīng)用技術(shù)方面的研究工作。