V型葉尖結(jié)構(gòu)對風力機近尾跡流場及聲場特性影響的仿真研究

任常在，代元軍，李保華，徐立軍

（新疆工程學院電力工程系，新疆 烏魯木齊 830091）

V型葉尖結(jié)構(gòu)對風力機近尾跡流場及聲場特性影響的仿真研究

任常在，代元軍，李保華，徐立軍

（新疆工程學院電力工程系，新疆 烏魯木齊 830091）

基于計算流體力學方法，利用FW-H聲學計算方程分析不同V型葉尖結(jié)構(gòu)對風力機近尾跡流場和聲場造成的影響，分析額定尖速比下不同V型葉尖結(jié)構(gòu)風力機流場、渦量場分布情況及葉尖區(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)能夠有效改善風力機葉輪葉尖速度分布情況，進而改變?nèi)~輪葉尖處渦量場的大??；V型葉尖結(jié)構(gòu)風力機葉尖處產(chǎn)生的渦量小于未改型葉尖型風力機；V型葉尖結(jié)構(gòu)風輪旋轉(zhuǎn)基頻所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)噪聲總聲壓級低于未改型葉尖型風力機4～6dB，降幅在4.72%～6.39%；V型葉尖的高度是影響風輪旋轉(zhuǎn)噪聲和葉尖渦噪聲降低的主要因素。

風力機；V型葉尖結(jié)構(gòu)；流場；聲場；渦量

0 引 言

近年來，我國的風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)保持快速增長的趨勢，大量的研究成果促使風力機氣動性能有所提高，尤其在風力機翼型設(shè)計和葉片外形設(shè)計方面已經(jīng)得到了較快的發(fā)展，但是風力機在運行過程中對風場周圍安裝環(huán)境要求較高，并對自然環(huán)境有一定的影響，尤其是其運行過程中產(chǎn)生的噪聲對環(huán)境影響頗為重要。風力機運行中噪聲的來源主要有空氣動力性噪音和機械噪音，機械噪音主要是由風力機運行過程中機械摩擦造成，而空氣動力性噪音主要來源于葉片和氣流的耦合過程，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]，因此有必要通過研究新型的葉尖結(jié)構(gòu)來改變?nèi)~尖周圍流場特性以降低葉尖區(qū)域噪聲。

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

目前，國內(nèi)外對于風力機葉尖結(jié)構(gòu)降噪方面的研究工作主要是通過添加附著物來改變?nèi)~尖區(qū)域的流場變化特性，而利用風力機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確地得到改型后風力機葉處流場和噪聲場的特性是一個值得研究的問題，這些研究內(nèi)容可對風力機設(shè)計提供參考，也有助于從葉尖氣動結(jié)構(gòu)改型尋找風力機降噪技術(shù)。本文采用計算流體力學軟件CFD，描述葉尖改型前后風力機近尾跡流場的變化特性，以及利用FW-H方程得到相對應(yīng)的特征點噪聲頻譜圖，找到不同尺寸參數(shù)的兩種V型葉尖結(jié)構(gòu)對風力機近尾跡葉尖區(qū)域流場及噪聲場的影響規(guī)律。

1 風力機模型

1.1 物理模型

采用S系列某翼型水平軸風力機為計算物理模型，其葉片長度為600 mm，風輪直徑為1.2 m，啟動風速2 m/s，額定風速8 m/s，額定功率為300 W，葉片數(shù)為3，額定尖速比為5.5，風輪額定轉(zhuǎn)速為750r/min。三維坐標定義：風輪旋轉(zhuǎn)軸與葉片葉尖翼型前緣點所在的風輪旋轉(zhuǎn)平面，垂直的交點為坐標原點，X軸正方向為來流風速方向，Y軸正方向為垂直來流方向向左，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、開角θ。

圖1 V型葉尖結(jié)構(gòu)尺寸圖

采用正交試驗方案，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°）。 然后對未改型和改型后2種不同V型葉尖結(jié)構(gòu)風力機進行三維建模。圖2為未改型葉尖結(jié)構(gòu)風力機葉片模型，圖3為V型葉尖結(jié)構(gòu)風力機葉片模型。

1.2 網(wǎng)格劃分

圖2 未改型葉尖結(jié)構(gòu)風力機葉片模型

圖3 V型葉尖結(jié)構(gòu)風力機葉片模型

模型風力機由輪轂和3個葉片構(gòu)成，由于葉片表面幾何曲面多而雜，需要采用網(wǎng)格加密處理風輪表面及周圍的旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域，為了獲得流場的變化細節(jié)，需將計算區(qū)域劃分為3個區(qū)域分別是：旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域，風力機區(qū)域，非旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域，分別采用函數(shù)size function對這3個計算區(qū)域及邊界近壁面進行加密處理，并使用Tgrid網(wǎng)格類型對該區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，其中風力機風輪區(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，進出口流場區(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)學模型

葉尖結(jié)構(gòu)對噪聲的影響實質(zhì)是不同葉尖結(jié)構(gòu)處流場與噪聲場之間的耦合關(guān)系，可以用同一個物理模型不同的求解器分別計算流場及噪聲場，對應(yīng)的為流場數(shù)學模型及噪聲場數(shù)學模型。

1.3.1 流場數(shù)學模型

為了便于計算，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——時間；

FC——對流通量；

FV——粘性通量；

Q——體積力源項。

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；

V——速度；

fex、fey、fez——X、Y、Z方向的質(zhì)量力；

1.3.2 噪聲場數(shù)學模型

噪聲計算所使用的物理模型與流場計算的物理模型相同，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，流場計算方法采用大渦模擬LES，噪聲計算采用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；

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

流場基于穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動的三維定常雷諾時均N-S方程進行數(shù)值模擬，噪聲場基于非穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動，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，對流項差分格式采用二階迎風格式，壓力速度耦合采用PISO算法，將空氣視為理想氣體，采用默認的參數(shù)設(shè)置，雷諾數(shù)Re=1.5×106，進口速度設(shè)置為8m/s，速度出口選擇為自由出流，風力機葉片和輪轂選用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，選取風輪旋轉(zhuǎn)角度為1°所需時間為計算時間步長Δt=0.00022222s，在風輪旋轉(zhuǎn)3600°后，風力機近尾跡流場特性變化一般趨于穩(wěn)定，然后對聲場數(shù)據(jù)和相應(yīng)的流動各參量數(shù)值進行采集。

1.4 流場及噪聲場計算結(jié)果的驗證

為了驗證數(shù)值計算方法的合理性，在風力機旋轉(zhuǎn)3600°后，對未改型葉尖風力機的近尾跡截面X=0mm處的渦量分布及葉尖監(jiān)測點出聲壓值進行讀取，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在風力機近尾跡區(qū)域X=0mm截面處渦量分布、葉尖監(jiān)測點處噪聲變化規(guī)律與相關(guān)文獻的PIV實驗、噪聲實驗[13-15]測試和計算結(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

通過對3種葉尖風力機在相同的初始參數(shù)下進行數(shù)值計算，得到不同葉尖結(jié)構(gòu)在同一截面下的流場及渦量場。

2.1 流場分析

3種葉尖在X=0 mm截面處的流場云圖見圖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截面處的流場云圖

圖6 3種葉尖在X=0mm截面處的渦量場云圖

3種葉尖在X=0 mm截面處的渦量場云圖見圖6，3種葉尖結(jié)構(gòu)的風力機運行過程中在葉尖區(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)風力機葉尖區(qū)域渦量值較小，說明被渦量轉(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)測點處的噪聲頻譜圖

圖8 尖速比5.5，X=-10mm，Z=0mm，Y=0～1000mm時各監(jiān)測點聲壓級

對比不同葉尖結(jié)構(gòu)風力機的流場與渦量場，葉尖速度最大的未改型葉尖風力機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V型葉尖結(jié)構(gòu)使得大渦破碎成小渦，旋轉(zhuǎn)強度減弱，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)測點，抽取3種不同葉尖的風力機的額定尖速比為5.5，轉(zhuǎn)速為750r/min同一點處的頻率-聲壓值，圖7為3種葉尖監(jiān)測點處的噪聲頻譜圖。

從圖中可以看出葉尖改型前后的風力機風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500Hz時，未改型葉尖風力機監(jiān)測點處的聲壓值趨于穩(wěn)定，其聲壓級總體處于40～50dB，當頻率超過1 000Hz時，V型葉尖風力機監(jiān)測點處聲壓值趨于穩(wěn)定，V型葉尖-1該監(jiān)測點頻譜圖聲壓級總體處30～40dB，V型葉尖-2該監(jiān)測點頻譜圖聲壓級總體處于 20～30dB。

通過對比發(fā)現(xiàn)改型后降低了風輪旋轉(zhuǎn)基頻及其諧波關(guān)系頻率所對應(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風力機旋轉(zhuǎn)基頻對應(yīng)的頻譜圖峰值依次為91.48，87.16，85.63dB。與未改型葉尖風輪比較，V 型葉尖-1、V型葉尖-2風輪旋轉(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力機近尾跡區(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)測點，共計10監(jiān)測點的聲壓值變化，如圖8所示。

通過對比發(fā)現(xiàn)，3種葉尖結(jié)構(gòu)的風力機在葉輪旋轉(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、再降低的脈動變化規(guī)律，最大聲壓值出現(xiàn)在葉尖區(qū)域。

3 結(jié)束語

本文基于計算流體力學，流場計算方法采用大渦模擬LES，噪聲計算采用FW-H控制方程，對300W水平軸風力機模型的不同V型葉尖結(jié)構(gòu)在非定常流動中的流場及渦流噪聲進行了研究，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：在風輪葉尖區(qū)域周圍存在較大的渦量場，聲壓值沿著葉片徑向變化呈現(xiàn)降低、升高、再降低的脈動變化規(guī)律，最大聲壓值出現(xiàn)在葉尖區(qū)域，并且流場、渦量場、噪聲值有相對應(yīng)變化關(guān)系；V結(jié)構(gòu)葉尖對風力機葉尖區(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)自然科學基金項目（2015211A012）

任常在（1989-），男，遼寧朝陽市人，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。