收稿日期：2022-09-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51966014）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2021GG0436）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（NJZZ21067）；

內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目（NJDZR2201）

通信作者：馬劍龍（1981—），男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要從事風(fēng)能高效利用方面的研究。ma_jianlong@yeah.net

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1316 文章編號(hào)：0254-0096（2023）12-0266-08

摘 要：基于自然風(fēng)非定常性，結(jié)合某S翼型水平軸風(fēng)力機(jī)實(shí)際運(yùn)行條件擬合出3種動(dòng)態(tài)入流函數(shù)，建立不同入流下的非穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，研究動(dòng)態(tài)入流對(duì)尾跡氣動(dòng)噪聲和葉片壓力脈動(dòng)的影響。結(jié)果表明：各動(dòng)態(tài)入流下各倍頻聲壓級(jí)均高于恒定入流，大小規(guī)律表現(xiàn)為：擾動(dòng)入流gt;漸變?nèi)肓鱣t;陣風(fēng)入流gt;恒定入流；動(dòng)態(tài)入流對(duì)聲壓級(jí)的敏感性隨倍頻階數(shù)增大而增強(qiáng)；沿軸向動(dòng)態(tài)入流與恒定入流聲壓級(jí)差值逐漸增大；陣風(fēng)入流、漸變?nèi)肓骱蛿_動(dòng)入流的壓力脈動(dòng)峰值依次增大，這也是聲壓級(jí)產(chǎn)生相同大小規(guī)律的原因。通過(guò)分析入流情況對(duì)葉片聲場(chǎng)分布和變化規(guī)律影響研究，對(duì)未來(lái)大型葉片噪聲評(píng)估和降噪設(shè)計(jì)提供一定的理論和參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；噪聲測(cè)量；渦量；壓力脈動(dòng)；動(dòng)態(tài)入流

中圖分類號(hào)：TK83""""""""""" """""""""""" """""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著風(fēng)電機(jī)組離生活區(qū)越來(lái)越近，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中的氣動(dòng)噪聲對(duì)居民生活的影響逐漸變大，風(fēng)力機(jī)噪聲問(wèn)題對(duì)風(fēng)力機(jī)發(fā)展的影響不容忽視。Gutierrez等［1］分析低空射流對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響，發(fā)現(xiàn)射流會(huì)降低大氣邊界層內(nèi)的湍動(dòng)能和湍流強(qiáng)度，同時(shí)增大空氣來(lái)流的能量；Iannace等［2］提出一種隨機(jī)森林回歸法并結(jié)合風(fēng)場(chǎng)噪聲測(cè)量值建立一種風(fēng)力機(jī)噪聲預(yù)測(cè)模型，得出該模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲影響較大的風(fēng)速值，同時(shí)可對(duì)不同運(yùn)行工況噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)；Son等［3］采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析某1.5 MW風(fēng)力機(jī)的聲功率級(jí)、音調(diào)和頻譜平衡特性，得出100 Hz 頻段內(nèi)存在3個(gè)低頻純音，在頻率78.1 Hz處的聲調(diào)高于聽(tīng)覺(jué)閾值，經(jīng)頻譜平衡分析發(fā)現(xiàn)低頻噪聲聲壓級(jí)會(huì)隨風(fēng)速增加而變大；Barlas等［4］提出一種新噪聲傳播預(yù)測(cè)模型，在考慮葉片相對(duì)速度、攻角和湍流特性等參數(shù)情況下，該模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)速與聲源水平之間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)聲源水平會(huì)隨風(fēng)速增加而顯著升高。代元軍等［5］采用譜合成算法對(duì)小型水平軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究了近尾跡氣動(dòng)噪聲輻射傳播特性，發(fā)現(xiàn)聲輻射會(huì)對(duì)尾跡中心渦和葉尖渦產(chǎn)生較大影響；Ghasemian等［6］通過(guò)改進(jìn)延遲分離渦湍流模型并結(jié)合FW-H聲類比的方式，對(duì)3種入流風(fēng)速下的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)輻射聲強(qiáng)度與風(fēng)速之間關(guān)系緊密；Lee等［7］在考慮湍流邊界層和鈍尾緣厚度情況下對(duì)10 kW風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值研究，探究尾流噪聲與渦量的關(guān)系，得出鈍尾緣噪聲是小型風(fēng)力機(jī)的重要聲源；張兆德等［8］使用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法并結(jié)合大渦模擬計(jì)算不同翼型的流場(chǎng)，同時(shí)采用Lighthill聲類比方法模擬聲場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)和聲傳播特性關(guān)聯(lián)不大，但雷諾數(shù)與聲壓級(jí)關(guān)系緊密；薛偉誠(chéng)等［9］利用反卷積DAMAS算法計(jì)算聲源位置和聲源強(qiáng)度，該方法可充分考慮網(wǎng)格細(xì)節(jié)，使旁瓣變小甚至消失，其計(jì)算結(jié)果相比傳統(tǒng)波束形成法更準(zhǔn)確；曹亮等［10］針對(duì)不同薄板翼模型進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)特定迎角和風(fēng)速下隨葉片柔性增加，氣動(dòng)噪聲強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，并得出流固耦合作用下翼型氣動(dòng)噪聲變化初步規(guī)律。

綜上，目前風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲的研究多基于半經(jīng)驗(yàn)公式或大渦模擬等方式進(jìn)行預(yù)測(cè)，且多數(shù)研究均在恒定入流條件下進(jìn)行，動(dòng)態(tài)入流對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡氣動(dòng)噪聲的研究相對(duì)較少。本文通過(guò)擬合3種動(dòng)態(tài)入流函數(shù)，利用大渦模擬結(jié)合FW-H方程進(jìn)行三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算，分析動(dòng)態(tài)入流對(duì)尾跡氣動(dòng)噪聲和風(fēng)力機(jī)葉片壓力脈動(dòng)的影響，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的可靠性。

1 仿真模型的建立與驗(yàn)證

1.1 葉片噪聲分布流動(dòng)機(jī)理

1.1.1 湍流邊界層尾緣噪聲

如圖1所示，氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)，面對(duì)特定范圍內(nèi)的攻角和雷諾數(shù)的工況下，翼型表面上的氣流會(huì)在翼型前緣位置處發(fā)生層流分離，之后轉(zhuǎn)捩成湍流，葉片的表面會(huì)因經(jīng)過(guò)層流分離后的湍流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生壓力，因此湍流邊界層尾緣噪聲的產(chǎn)生是因?yàn)橐硇偷膲毫γ婧臀γ嫦嗷プ饔?，一般情況下處于雷諾數(shù)較高、低攻角的工作條件下，吸力面湍流邊界層尾緣噪聲和壓力面湍流邊界層尾緣噪聲成為高頻噪聲的主要聲源。在大型風(fēng)力機(jī)當(dāng)中，由于大風(fēng)力機(jī)具有高雷諾數(shù)特點(diǎn)，這類噪聲相對(duì)于風(fēng)力機(jī)總體噪聲所占比例較大，是風(fēng)力機(jī)的主要噪聲來(lái)源。

1.1.2 失速分離噪聲

如圖2所示，隨著風(fēng)力機(jī)翼型相對(duì)來(lái)流與弦線之間的攻角增大，翼型吸力面氣流速度不斷增大，分離渦逐漸生成，湍流加劇，此時(shí)邊界層將在吸力面某一位置發(fā)生分離，引起噪聲。而風(fēng)力機(jī)失速現(xiàn)象的產(chǎn)生是當(dāng)相對(duì)來(lái)流與弦線之間的攻角超過(guò)某一個(gè)臨界值時(shí)，葉片表面流動(dòng)情況惡化，此時(shí)的噪聲就會(huì)從渦分離產(chǎn)生的噪聲轉(zhuǎn)變成失速分離噪聲。而當(dāng)風(fēng)力機(jī)處于完全失速狀態(tài)時(shí)，吸力面上方氣流非常不穩(wěn)定，此時(shí)這類噪聲成為風(fēng)力機(jī)主要噪聲。

1.1.3 鈍尾緣噪聲

如圖3所示，這類噪聲發(fā)生在尾緣較厚的翼型中，氣流會(huì)在翼型尾部位置處產(chǎn)生連續(xù)脫落渦，使尾緣部位產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲，當(dāng)翼型尾緣部位的邊界層厚度很大程度上小于鈍尾緣厚度時(shí)，這類噪聲會(huì)較大地影響風(fēng)力機(jī)的總體噪聲水平。在大型風(fēng)力機(jī)當(dāng)中，鈍尾緣翼型在保證滿足氣動(dòng)性能的基礎(chǔ)上，可在翼型的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中消除此類噪聲。

1.1.4 層流邊界層尾緣脫落渦噪聲

如圖4所示，翼型壓力面或吸力面在有一個(gè)或均為層流流動(dòng)時(shí)，由于漩渦在葉片尾緣部位脫落產(chǎn)生環(huán)狀運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲，在大風(fēng)力機(jī)運(yùn)行當(dāng)中，由于大型風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)處于高雷諾數(shù)，葉片周圍流場(chǎng)處于湍流狀態(tài)，所以此類噪聲一般不是風(fēng)力機(jī)噪聲的主要組成成分。

1.1.5 葉尖渦噪聲

根據(jù)伯努利方程可知，壓差的產(chǎn)生是因?yàn)槲γ婧蛪毫γ娴乃俣炔煌Ｈ鐖D5所示，翼型表面的流體在葉尖處匯合，匯合后的流體經(jīng)過(guò)自由發(fā)展后，由于壓差的存在會(huì)導(dǎo)致葉尖附件的流場(chǎng)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，使得流體在葉尖位置形成葉尖渦旋，葉尖渦旋與葉片相互作用下產(chǎn)生了葉尖渦噪聲。葉尖渦噪聲對(duì)于風(fēng)力機(jī)噪聲具有較大影響，在大型風(fēng)力機(jī)當(dāng)中，合理設(shè)計(jì)葉尖幾何形狀，可助于降低噪聲。

1.2 模型建立

本文以某S翼型小型水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，風(fēng)輪直徑1.4 m，在CAD軟件中利用翼型二維坐標(biāo)擬合各翼型截面，將翼型截面在Solidworks軟件中結(jié)合翼型截面間距和安裝角并利用放樣功能進(jìn)行葉片建模，定義風(fēng)輪輪轂中心為坐標(biāo)原點(diǎn)[O]，平行于來(lái)流方向，垂直于迎風(fēng)面為[x]方向，垂直地面方向?yàn)閥軸正向，由左向右平行于地面為[z]軸正方向。具體風(fēng)輪模型如圖6a所示，圖6b為風(fēng)力機(jī)計(jì)算域模型。

1.3 網(wǎng)格劃分

為保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠性，計(jì)算域模型參照內(nèi)蒙古自治區(qū)新能源實(shí)驗(yàn)示范基地B1/K2型低速風(fēng)洞建立。由于風(fēng)輪附近流場(chǎng)變化復(fù)雜，對(duì)葉片表面網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，設(shè)置葉表第1層網(wǎng)格高度為0.008 mm，網(wǎng)格生長(zhǎng)率為1.1，邊界層網(wǎng)格層數(shù)為28層，將葉表網(wǎng)格[y+]控制在1以下，以減小數(shù)值計(jì)算中的離散誤差。計(jì)算域分區(qū)劃分為靜止域和旋轉(zhuǎn)域，靜止域和旋轉(zhuǎn)域交界面處采用滑移網(wǎng)格技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)為873萬(wàn)時(shí)，風(fēng)輪功率波動(dòng)為0.96%，網(wǎng)格劃分如圖7所示。

1.4 湍流模型選取和求解器設(shè)置

動(dòng)態(tài)入流下風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)相對(duì)紊亂，為準(zhǔn)確分析由葉表逆壓梯度不同導(dǎo)致的流體轉(zhuǎn)捩，采用大渦模擬湍流模型進(jìn)行模擬，利用PISO算法進(jìn)行壓力和速度耦合，壓力差值算法采用 PRESTO，湍動(dòng)能和耗散率采用二階迎風(fēng)格式，動(dòng)量離散采用中心差分格式（bounded central differencing scheme， BCDS）。

1.5 邊界條件設(shè)置

計(jì)算域入口設(shè)置為速度入口，利用動(dòng)態(tài)入流函數(shù)編寫入口速度 UDF文件，動(dòng)態(tài)入流函數(shù)建立過(guò)程如下。

1.5.1 陣風(fēng)函數(shù)

依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（wind turbine generator system， WTGS）最低的安全要求，陣風(fēng)函數(shù)如式（1）、式（2）所示。

[V-0.37Vgsin（3πt/T）1-cos（2πt/T），0≤t≤TV，tlt;0，tgt;T]""""" （1）

[Vg=βσ/（1+0.1D/Λ1]"""""" （2）

式中：[V]——風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速，[V=10] m/s；[Vg]——陣風(fēng)加速幅值；[t]——時(shí)間，s；[T]——陣風(fēng)周期，[T=4" s]；[β]——周期影響因子，[β=4.8]；[σ]——風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差，[σ=1.23]；[D]——風(fēng)輪直徑，[D=1.4 m]；[Λ1]——湍流尺度參數(shù)，[Λ1]=1.19。

1.5.2 漸變風(fēng)函數(shù)

漸變風(fēng)函數(shù)如式（3）所示。

[Vt=Vmax，tlt;t1Vmax-Vmax-Vmint-t1t2-t1，t1≤t≤t2Vmin，tgt;t2]""""" （3）

式中：[Vt]——瞬時(shí)風(fēng)速，m/s；[Vmax]——最大風(fēng)速，[Vmax]=12 m/s；[Vmin]——最小風(fēng)速，[Vmin=8]m/s；[t1]——起始時(shí)間，[t1=0 s;][t2]——結(jié)束時(shí)間，[t2]=4 s。

1.5.3 擾動(dòng)風(fēng)函數(shù)

擾動(dòng)風(fēng)函數(shù)如式（4）所示。

[Vt=Vh+VmaxRam（-1，1）cos（ωnt+φn）]"""" （4）

式中：[Vh]——穩(wěn)定風(fēng)速，m/s；[Ram-1，1]——均勻分布的隨機(jī)數(shù)；[ωn]——波動(dòng)頻率，[Hz]；[φn]——0～2π間均勻分布的隨機(jī)量。

設(shè)置靜壓出口為出口邊界條件；為了減少壁面效應(yīng)的影響，在計(jì)算中采用無(wú)滑移壁面，壁面粗糙度為光滑壁面，湍流強(qiáng)度默認(rèn)為5%。數(shù)值計(jì)算過(guò)程中恒定入流風(fēng)速為 10 m/s，4種入流工況轉(zhuǎn)速均為 600 r/min。

1.6 計(jì)算模型試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)動(dòng)態(tài)入流工況難以開(kāi)展的狀態(tài)，該研究對(duì)恒定入流工況基頻噪聲的計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證計(jì)算模型可靠性。

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古自治區(qū)新能源實(shí)驗(yàn)示范基地B1/K2 型低速風(fēng)洞開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行，聲測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)Bamp;K公司的60通道輪形聲陣列系統(tǒng)采集，并利用 SONAH 算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中，聲陣列直徑為0.78 m，陣列傳聲器的靈敏度為12.5 MV/Pa，頻率測(cè)量范圍為10～20000 Hz，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速由直流電阻式負(fù)載調(diào)節(jié)，并利用NORMA5000 型功率分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速與功率等參數(shù)，聲陣列圓盤平行放置于風(fēng)輪后方0.2 m處。實(shí)驗(yàn)設(shè)備具體布置如圖8所示。

以恒定入流風(fēng)速為8～10 m/s、轉(zhuǎn)速為600 r/min的工況條件下，使用Bamp;K噪聲測(cè)試系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)同一工況下，實(shí)驗(yàn)的基頻與模擬計(jì)算的基頻對(duì)比分析，如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，當(dāng)風(fēng)速為9 m/s時(shí)，基頻聲壓級(jí)相對(duì)誤差最大為4.9%，據(jù)此認(rèn)為數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性良好，數(shù)值模型的建立準(zhǔn)確性良好，可對(duì)后續(xù)不同入流工況條件下的數(shù)值計(jì)算提供可靠性依據(jù)。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 輻射聲頻譜分析

動(dòng)態(tài)入流會(huì)影響葉片表面的壓力分布，進(jìn)而影響風(fēng)力機(jī)尾跡氣動(dòng)噪聲。為研究不同入流條件對(duì)風(fēng)輪尾跡氣動(dòng)噪聲的影響，在風(fēng)輪后方電機(jī)高度處布置噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，把風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)平面的中心設(shè)為原點(diǎn)，在[z]軸300 mm、[x]軸200 mm處布置第1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在第1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上沿軸向和徑向每隔100 mm布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，形成一個(gè)正方形的監(jiān)測(cè)區(qū)域，共36個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中6條徑向測(cè)試線1～6和6條軸向測(cè)試線a～f，如圖9所示。

在數(shù)值計(jì)算條件下風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲基頻為31.17 Hz，高次頻率依次為62.36、93.18、125.07 Hz。由旋轉(zhuǎn)基頻公式得出風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)聲基頻為30 Hz，高次頻率依次為60、90、120 Hz?；l的數(shù)值計(jì)算值與理論值的誤差為3.9%。通過(guò)導(dǎo)出噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓數(shù)據(jù)并進(jìn)行快速傅里葉變換（fast Fourier transform， FFT）處理可得出輻射聲頻譜。圖10為4種入流方式在監(jiān)測(cè)點(diǎn)（a，1）處的輻射聲頻譜圖。

由圖10可知，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)噪聲主要集中在基頻及其倍頻上，且基頻處聲壓級(jí)最大，隨著諧波階數(shù)增加，各入流的高次諧波聲壓級(jí)逐漸減弱，同時(shí)各動(dòng)態(tài)入流下各倍頻聲壓級(jí)均高于恒定入流，總體規(guī)律表現(xiàn)為：擾動(dòng)入流gt;漸變?nèi)肓鱣t;陣風(fēng)入流gt;恒定入流。另外，不同入流在200 Hz內(nèi)風(fēng)力機(jī)聲壓級(jí)波動(dòng)較大，在200 Hz后則趨于穩(wěn)定。

為分析不同入流對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)基頻與其諧波聲壓級(jí)的影響，本文以式（5）表示動(dòng)態(tài)入流引起的聲壓級(jí)變化值。

[φi=S1i-S2i] （5）

式中：[S1]——?jiǎng)討B(tài)入流；[S2]——恒定入流；[i=1、2、3]和4分別表示旋轉(zhuǎn)基頻和第2、3和4次倍頻諧波。

鑒于200 Hz頻段內(nèi)聲頻譜一致性較強(qiáng)，為此通過(guò)式（6），引入?yún)?shù)[?]分析入流條件對(duì)不同倍頻諧波聲壓級(jí)的敏感性。

[?i=φiS2i×100%]"" （6）

圖11為動(dòng)態(tài)入流對(duì)不同倍頻諧波聲壓級(jí)的敏感性。由圖11可知，動(dòng)態(tài)入流的施加對(duì)4倍頻噪聲敏感性最高可達(dá)16.5%，說(shuō)明入流對(duì)基頻及倍頻噪聲影響較為顯著。同時(shí)從變化趨勢(shì)曲線上可看出各入流工況敏感性增長(zhǎng)率的差異性，其中，擾動(dòng)入流增勢(shì)最快。另外，入流工況對(duì)聲壓級(jí)的敏感性在旋轉(zhuǎn)基頻處最小，并隨著倍頻諧波數(shù)增大而增強(qiáng)。

2.2 輻射聲壓分析

為探究4種入流下風(fēng)輪尾跡徑向聲輻射規(guī)律，提取風(fēng)力機(jī)尾跡6條徑向測(cè)試線的聲壓級(jí)數(shù)據(jù)，如圖12所示。

圖12為各測(cè)試線上各入流工況聲壓級(jí)徑向分布曲線。圖12中可明顯看出隨徑向距離增大，各測(cè)試線聲壓級(jí)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，即葉片中部聲壓級(jí)最大，且聲壓級(jí)曲線呈逐漸匯合趨勢(shì)，說(shuō)明聲能量變化逐漸趨于一致，同時(shí)各動(dòng)態(tài)入流聲壓級(jí)均高于恒定入流，其中擾動(dòng)入流影響作用最強(qiáng)，聲壓級(jí)大小關(guān)系表現(xiàn)為：擾動(dòng)入流gt;漸變?nèi)肓鱣t;陣風(fēng)入流gt;恒定入流。圖12中測(cè)試線1、2聲壓級(jí)最大值在徑向0.5 m處出現(xiàn)，測(cè)試線3、4聲壓級(jí)最大值在徑向0.6 m處出現(xiàn)，測(cè)試線5、6聲壓級(jí)最大值在徑向0.7 m處出現(xiàn)。分析認(rèn)為在葉片徑向[0.71R]位置處出現(xiàn)渦分離現(xiàn)象，強(qiáng)烈的分離渦向尾跡后方發(fā)展時(shí)，渦量峰值會(huì)沿徑向移動(dòng)，從而影響噪聲傳播，使聲壓級(jí)峰值同樣沿徑向移動(dòng)。另外，各入流工況下風(fēng)輪尾跡聲壓級(jí)均隨軸向距離增大而減小。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)試線1處入流條件對(duì)聲壓級(jí)影響較大，為探究測(cè)試線1處聲壓級(jí)軸向差異性的原因，提取測(cè)試線1處3個(gè)動(dòng)態(tài)入流工況與恒定入流的聲壓級(jí)差值，如圖13所示。

inflows at test line 1

由圖13可知，在測(cè)試線1位置處隨軸向距離增大，入流對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響逐漸增強(qiáng)，分析認(rèn)為測(cè)試線1位于尾舵附近，動(dòng)態(tài)入流的風(fēng)加速度產(chǎn)生的附加壓力與尾舵附近氣流進(jìn)行摻混，且氣流的摻混程度受到風(fēng)加速度大小的影響，受到摻混后的氣流繼續(xù)影響著壓力脈動(dòng)。湍流結(jié)構(gòu)的變化嚴(yán)重影響著壓力脈動(dòng)場(chǎng)，壓力脈動(dòng)場(chǎng)又作用于氣流輻射聲場(chǎng)。所以隨尾跡中心軸向距離增加，風(fēng)加速度逐漸增大，尾跡氣動(dòng)噪聲的敏感性增強(qiáng)。

2.3 葉片表面壓力脈動(dòng)

為探究不同入流下葉片壓力脈動(dòng)的變化規(guī)律，分別提取4種入流的葉片壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)。其中，壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖14所示。

由圖15可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同入流下的壓力脈動(dòng)值均呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，其中恒定入流下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰值的變化幅值相同；動(dòng)態(tài)入流下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值則不同，

其中陣風(fēng)入流、漸變?nèi)肓骱蛿_動(dòng)入流的壓力脈動(dòng)峰值依次增大，這是由于同時(shí)刻3類入流風(fēng)況加速度依次增大，致使產(chǎn)生的附加質(zhì)量力也依次增大所導(dǎo)致，這與圖12中各入流工況聲壓級(jí)的大小關(guān)系一致，這是由于葉片壓力脈動(dòng)的變化會(huì)直接導(dǎo)致聲壓級(jí)的變化。

同時(shí)，葉中位置Ⅰ、Ⅲ監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)值明顯大于葉根Ⅱ、Ⅳ監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且葉片后方監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)值均大于葉片前方。分析認(rèn)為葉中位置因來(lái)流速度變化形成流動(dòng)分離，影響了葉片中部表面的靜壓分布，使葉中壓力脈動(dòng)更大，同時(shí)葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中擊打氣流并和動(dòng)態(tài)入流疊加產(chǎn)生紊亂渦流向后傳播，使得葉片后方監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值高于葉片前方。

3 結(jié) 論

基于風(fēng)力機(jī)實(shí)際運(yùn)行條件擬合出3種動(dòng)態(tài)入流函數(shù)對(duì)某S翼型水平軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行研究，探究了動(dòng)態(tài)入流對(duì)風(fēng)力機(jī)近尾跡氣動(dòng)噪聲和葉片壓力脈動(dòng)的影響，得出以下主要結(jié)論：

1）200 Hz頻段內(nèi)風(fēng)力機(jī)聲壓級(jí)波動(dòng)較大，各動(dòng)態(tài)入流下各倍頻聲壓級(jí)均高于恒定入流，大小規(guī)律表現(xiàn)為：擾動(dòng)入流gt;漸變?nèi)肓鱣t;陣風(fēng)入流gt;恒定入流，且動(dòng)態(tài)入流對(duì)聲壓級(jí)的敏感性隨倍頻階數(shù)增大而增強(qiáng)。所以在大風(fēng)力機(jī)中，為了降低大風(fēng)力機(jī)的噪聲，應(yīng)考慮的一個(gè)方向是來(lái)流風(fēng)速對(duì)大風(fēng)力機(jī)的影響，在保證風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能基礎(chǔ)上降低來(lái)流速度。可以考慮設(shè)計(jì)一種旋轉(zhuǎn)速度較慢的風(fēng)力機(jī)葉片。

2）各入流工況下葉片中部聲壓級(jí)最大；隨軸向距離增大，聲壓級(jí)整體呈下降趨勢(shì)，同時(shí)葉片中部分離渦外擴(kuò)導(dǎo)致聲壓級(jí)峰值徑向移動(dòng)；尾舵附近由于風(fēng)加速度的影響，動(dòng)態(tài)入流與恒定入流聲壓級(jí)差值沿軸向逐漸增大。所以在大風(fēng)力機(jī)當(dāng)中應(yīng)考慮合理布局風(fēng)力機(jī)的位置，降低各風(fēng)力機(jī)機(jī)組之間聲壓的互相影響。

3）恒定入流下，葉片壓力脈動(dòng)峰值的幅值相同，動(dòng)態(tài)入流下，葉片壓力脈動(dòng)峰值的幅值不同，這是由于風(fēng)加速度產(chǎn)生的附加質(zhì)量力導(dǎo)致的，同時(shí)陣風(fēng)入流、漸變?nèi)肓骱蛿_動(dòng)入流的壓力脈動(dòng)峰值依次增大，這也是聲壓級(jí)具有相同大小規(guī)律的原因。通過(guò)研究不同入流情況對(duì)葉片壓力脈動(dòng)的影響，進(jìn)而為大型風(fēng)力機(jī)葉片噪聲檢測(cè)以及葉片設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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STUDY ON NEAR-WAKE AERODYNAMIC NOISE OF

WIND TURBINE UNDER DYNAMIC INFLOW

Rong Yu1，Ma Jianlong1-3，Zhao Xinxin1，Lyu Wenchun4，Su Hongjie1，Zhang Pengyu1

（1. School of Energy and Power Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010080， China；

2. Engineering Research Center of Renewable Energy at Universities of Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot 010080， China；

3. Key Laboratory of Wind Energy and Solar Energy Technology， Ministry of Education， Hohhot 010080， China；

4. Research Center of Technology and Vocational Education， Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics， Hohhot 010070， China）

Abstract：Based on the non-stationary characteristic of natural wind， three kinds of dynamic inflow functions are fitted based on the actual operating conditions of an S-wing horizontal axis wind turbine， and the non-stationary calculation models under different inflow are established to study the effects of dynamic inflow on the wake aerodynamic noise and blade pressure pulsation. The results show that： the sound pressure level at each octave is higher than that at constant inflow under dynamic inflow， and the magnitude is as follows： disturbance inflow gt;gradient inflow gt; gust inflow gt; constant inflow； the sensitivity of dynamic inflow to sound pressure level increases with the increase of octave order； the sensitivity of dynamic inflow to sound pressure level increases with the increase of octave order. The sound pressure level difference between dynamic inflow and constant inflow along the axial direction gradually increases； the peak pressure pulsation of gust inflow， gradual inflow and disturbance inflow increases in turn， which is also the reason for the same size law of sound pressure level. By analyzing the influence of the inflow condition on the blade sound field distribution and change law， it provides some theoretical and reference basis for future large blade noise assessment and noise reduction design.

Keywords：wind turbines； acoustic noise measurement； vorticity； pressure pulsation； dynamic inflow