鋸齒尾緣風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)及噪聲性能研究

馬俊祥,趙振宙,鄭康樂,張克凡,吳昊,張爽

(1.華能國(guó)際電力股份有限公司河南清潔能源分公司,鄭州 450003;2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,南京 211100;3.華能臨河熱電廠,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015002)

風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)日益成熟,風(fēng)電機(jī)組不斷向著大型化、規(guī)?；l(fā)展[1-2],風(fēng)力機(jī)葉片的噪聲聲壓級(jí)也隨著葉片的增長(zhǎng)而不斷增強(qiáng)。水平軸風(fēng)力機(jī)葉片引起的環(huán)境噪聲污染,在重視綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)下是風(fēng)電推廣發(fā)展的重大阻力,因此控制運(yùn)行噪聲是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮的重要因素之一[3]。風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲與氣動(dòng)噪聲是風(fēng)電場(chǎng)噪聲的重要來(lái)源,其中機(jī)械噪聲通過(guò)改進(jìn)機(jī)械部件工藝已經(jīng)得到了很好的抑制[4]。而氣動(dòng)噪聲則通過(guò)依據(jù)仿生學(xué)原理改造的鋸齒型風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行控制。根據(jù)最新的研究顯示,風(fēng)力機(jī)葉片的鋸齒結(jié)構(gòu)能夠改變傳統(tǒng)葉片模型邊界層的流動(dòng)方式,使流動(dòng)分離得到改善[5]。

GHASEMIAN[6]基于五種不同的葉尖度比,運(yùn)用不可壓大渦模擬(LES)模型和FW-H聲學(xué)來(lái)模型研究垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲,研究表明輻射噪聲強(qiáng)度和轉(zhuǎn)速具有直接關(guān)系,OASPL(總聲壓級(jí))隨接收器的距離呈對(duì)數(shù)趨勢(shì)變化。GRUBER[7-8]在不同流速和攻角工況下對(duì)三十七個(gè)鋸齒尾緣翼型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果顯示葉片前緣的鋸齒結(jié)構(gòu)能降低噪聲,葉片后緣的鋸齒結(jié)構(gòu)能減少尾流。CHEN[9]等人基于k-ωSST湍流模型和FW-H 方程在不同風(fēng)速(3～25 m/s)、不同轉(zhuǎn)速(36～120 r/min)下對(duì)NREL Phase VI翼型進(jìn)行氣動(dòng)噪聲模擬,計(jì)算發(fā)現(xiàn),在相同工況下風(fēng)速越大,氣動(dòng)噪聲越大,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速越大,氣動(dòng)噪聲越大。張兆德[10-11]等采用LES/Lighthill方法對(duì)二維翼型及1.5 MW大型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)相對(duì)風(fēng)速對(duì)噪聲的影響比攻角更大,進(jìn)而提出降低風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲的措施。黃乾[12]運(yùn)用嵌入式大渦模擬和FW-H方程分析了鋸齒對(duì)NACA 0018翼型的非穩(wěn)態(tài)特征,研究表明長(zhǎng)鋸齒翼型影響了邊界層的運(yùn)動(dòng),降低了噪聲的總聲壓級(jí),具有降噪功能。OERLEMANS[13-14]團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用相控陣麥克風(fēng)陣列檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)地研究了大型風(fēng)力機(jī)的噪聲聲源,測(cè)試結(jié)果表明寬帶后緣噪聲是風(fēng)力機(jī)的主要聲源。

結(jié)合前人仿生鋸齒的研究成果,本文以NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)作為基本模型,運(yùn)用數(shù)值模擬的方法,研究在7 m/s風(fēng)速工況下鋸齒尾緣結(jié)構(gòu)對(duì)NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)及噪聲特性的影響,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)降噪機(jī)理,為找出理想的鋸齒結(jié)構(gòu)并應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)降噪提供參考。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 聲學(xué)控制方程

1.1.1 Lighthill方程

Lighthill在1952年推導(dǎo)出了Lighthill方程,是認(rèn)識(shí)和研究氣動(dòng)聲學(xué)的基礎(chǔ)方程。

(1)

1.1.2 FW-H方程

根據(jù)已知的Lighthill基本方程整理可得：

(2)

對(duì)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)噪聲來(lái)說(shuō),單極子聲源主要是葉片厚度噪聲,偶極子聲源主要是因?yàn)槿~片非定常氣動(dòng)力。在低速流動(dòng)中,偶極子是氣動(dòng)噪聲的重要來(lái)源,四極子聲源可以忽略。當(dāng)達(dá)到超音速時(shí),四極子源在氣動(dòng)噪聲中顯得非常重要。

1.2 湍流模擬

采用分離渦模擬(DES)的方法來(lái)控制流動(dòng)。DES是Spalart在1997年提出的結(jié)合大渦模擬(LES)與雷諾平均(RANS)的混合模擬方法：在近壁面區(qū)運(yùn)用RANS方法進(jìn)行模擬,大量減少壁面的網(wǎng)格數(shù)量;在遠(yuǎn)壁面的主要流場(chǎng)區(qū)域運(yùn)用LES方法進(jìn)行模擬,保留了在主要流場(chǎng)區(qū)域運(yùn)用大渦模擬得到的流場(chǎng)細(xì)節(jié)。DES 97是基于S-A模型,是DES最早的形式,其表達(dá)式為：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式(7)中S為渦量的絕對(duì)值,此外

(10)

g=r+cw2(r6-r)

(11)

(12)

常數(shù)項(xiàng)取值為：

κ=0.41,σ=2/3,cb1=0.135 5,cb2=0.622

(13)

式中：Δ=max(Δx,Δy,Δz),Δ取流場(chǎng)中x,y,z三個(gè)方向網(wǎng)格的最大值;參數(shù)CDES=0.65;dw表示網(wǎng)格中心到壁面的距離。這樣,在dwCDESΔ的區(qū)域采用LES方法計(jì)算。所以DES通過(guò)網(wǎng)格來(lái)判別RANS和LES區(qū)域。

2 鋸齒型風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

以NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)葉片為基本模型[15],對(duì)其葉片尾緣進(jìn)行切割改型,得到鋸齒尾緣NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)葉片。風(fēng)力機(jī)是全部由S809翼型組成的兩葉片水平軸風(fēng)力機(jī),翼型相對(duì)厚度0.209 5,風(fēng)力機(jī)葉輪直徑10.058 m,葉尖槳距角3°,用MATLAB程序進(jìn)行坐標(biāo)變換,輸出.ibl文件并導(dǎo)入到Proe程序中進(jìn)行葉片建模。NREL Phase VI鋸齒尾緣葉片是保持原型葉片各個(gè)截面翼型弦長(zhǎng)大小不變并將翼型尾緣長(zhǎng)度約7.5%弦長(zhǎng)處改造成鋸齒形狀而成,如圖1所示。

圖1 風(fēng)力機(jī)模型

2.2 計(jì)算網(wǎng)格

首先對(duì)NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)原型用ICEM進(jìn)行非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分,然后使用Fluent模擬計(jì)算,再對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理分析。本文不考慮塔架的影響,計(jì)算流場(chǎng)中入口與風(fēng)力機(jī)的距離為6R(R為葉片半徑長(zhǎng)度),出口與風(fēng)力機(jī)的距離為10R,流場(chǎng)壁面與風(fēng)力機(jī)的距離為6R,使風(fēng)力機(jī)尾流得到充分發(fā)展并減少了壁面對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響,數(shù)值模擬結(jié)果更為準(zhǔn)確。為保證模擬結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,先進(jìn)行k-ωSST定常計(jì)算至結(jié)果收斂,再進(jìn)行2周k-ωSST非定常計(jì)算,最后使用DES方法計(jì)算一個(gè)周期。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 鋸齒對(duì)葉片表面壓力系數(shù)的影響

選取5個(gè)具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的展向位置,進(jìn)行壓力系數(shù)的對(duì)比,進(jìn)一步分析鋸齒結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響。展向位置分別為0.300R、0.467R、0.630R、0.800R和0.950R。

如圖2所示,為7 m/s風(fēng)況下的壓力系數(shù)曲線圖。在展向r=0.300R、x/c<0.3和x/c> 0.5處,風(fēng)力機(jī)原型與試驗(yàn)值的壓力系數(shù)吻合程度較好;而在x/c=0.4時(shí),吸力面和壓力面的壓力系數(shù)的試驗(yàn)值明顯高于數(shù)值模擬計(jì)算值, 風(fēng)力機(jī)鋸齒型與原型的壓力系數(shù)曲線重合。在展向r=0.467R處,風(fēng)力機(jī)原型的數(shù)值模擬值與試驗(yàn)值一致,在x/c>0.85處,由于鋸齒尾緣漏氣的原因,風(fēng)力機(jī)原型下表面壓力系數(shù)高于鋸齒型壓力系數(shù)。在展向r=0.630R處,風(fēng)力機(jī)原型的模擬壓力系數(shù)值與試驗(yàn)值吻合度很高,在靠近壓力面前緣點(diǎn)位置處,風(fēng)力機(jī)原型的壓力系數(shù)值大于鋸齒型。在展向r=0.800R處,風(fēng)力機(jī)原型的模擬壓力系數(shù)值與試驗(yàn)值吻合度最低。特別是在x/c<0.7處,壓力面的系數(shù)絕對(duì)值遠(yuǎn)大于數(shù)值模擬值,是轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)差異的主要原因。在r=0.950R葉尖處與0.4

圖2 7 m/s風(fēng)況下葉片表面壓力系數(shù)圖

2.3.2 鋸齒對(duì)葉片表面流動(dòng)的影響

如圖3所示,為7 m/s風(fēng)況下NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)原型與鋸齒型的表面壓力云圖和極限流線圖。

圖3 7 m/s風(fēng)況下葉片表面壓力云圖和極限流線圖

從云圖上看,最大的壓力區(qū)域出現(xiàn)在壓力面葉尖部分前緣處,最小壓力區(qū)域出現(xiàn)在吸力面的前緣處。在展向r>0.4R區(qū)域,尾緣段的壓力值明顯比中間段的大。從極限流線圖上看,在葉片的壓力面,兩者流線相似;在葉片吸力面靠近葉尖尾緣區(qū)域,風(fēng)力機(jī)原型相較于鋸齒型出現(xiàn)了明顯的分離現(xiàn)象,這說(shuō)明葉片尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)改變了壁面的分離模式,使流場(chǎng)得到改善。風(fēng)力機(jī)原型的徑向流動(dòng)現(xiàn)象也比鋸齒型更為明顯,鋸齒結(jié)構(gòu)使葉根及連接部分產(chǎn)生了復(fù)雜的流動(dòng),有效地改變了葉根部分的流動(dòng)狀態(tài)。

2.4 葉片噪聲特性分析

利用DES方法和FW-H方程,對(duì)NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬,本節(jié)針對(duì)氣動(dòng)噪聲的模擬結(jié)果分析聲信號(hào)聲壓指向性和監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲頻譜。選取的時(shí)間步長(zhǎng)為0.017 4 s,風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速為72 r/min,旋轉(zhuǎn)一周大約需要0.833 4 s。

2.4.1 聲信號(hào)聲壓指向性

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置：如圖4所示,分別于弦向l1=0.5 m、l2=2 m范圍處在展向平面R=5.029 m布置五層,依次為0.300R、0.467R、0.630R、0.800R、0.950R。以葉片翼型的氣動(dòng)中心(0,0,0)為原點(diǎn),進(jìn)行兩周設(shè)置,其中點(diǎn)間隔為15°,第一周為0.5 m,第二周為2 m。設(shè)x軸負(fù)方向180°,x軸正方向0°,y軸負(fù)方向270°,y軸正方向90°。

圖4 風(fēng)力機(jī)葉片噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

如圖5所示,為7 m/s風(fēng)速工況下風(fēng)力機(jī)原型與鋸齒型的聲場(chǎng)指向性分布規(guī)律圖,縱坐標(biāo)SPL代表聲壓級(jí)。從圖中可以看出,在7m/s風(fēng)速工況下,同一展向平面和同一弦向范圍內(nèi),風(fēng)力機(jī)原型和鋸齒型的聲場(chǎng)指向性分布形狀都相似,且除0°和180°方向處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置外,風(fēng)力機(jī)鋸齒型的聲壓級(jí)數(shù)值都低于原型,證明了鋸齒結(jié)構(gòu)可以有效降低風(fēng)力機(jī)葉片聲壓級(jí);而0°和180°方向出現(xiàn)的差異是改變其指向分布的體現(xiàn),尤其是在展向平面r=0.630R和r=0.800R的0°方向監(jiān)測(cè)點(diǎn)處,風(fēng)力機(jī)鋸齒型聲壓級(jí)也能得到較好的優(yōu)化結(jié)果。同時(shí)在展向平面r=0.300R和r=0.467R的330°方向處,由于出現(xiàn)了尾跡流擾動(dòng),使得此處風(fēng)力機(jī)原型聲壓級(jí)略小于鋸齒型。

圖5 聲場(chǎng)指向性分布圖

另外由圖可知,在同一展向平面,l2=2 m弦向范圍的噪聲聲壓級(jí)除個(gè)別點(diǎn)外,均小于l1=0.5 m處的聲壓級(jí),這表明與風(fēng)力機(jī)葉片的距離越大,噪聲的聲壓級(jí)越小,基本符合翼型聲壓級(jí)分布規(guī)律。l2=2 m的曲線很好地顯示了偶極子特性;在l1=0.5 m處,由于該展向在截面翼型的實(shí)際攻角在α=15°附近,0°和180°方向監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)明顯比l2=2 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的值小,且最大值出現(xiàn)在15°和165°方向監(jiān)測(cè)點(diǎn)處,這一結(jié)果與前緣點(diǎn)噪聲聲壓級(jí)最高的規(guī)律一致。

在同一弦向范圍內(nèi),當(dāng)l1=0.5 m時(shí),風(fēng)力機(jī)原型的大聲壓級(jí)在0°～30°、150°～195°和330°～360°方向之間,極大值集中出現(xiàn)在15°和165°方向處;最小噪聲聲壓級(jí)在r=0.300R平面出現(xiàn),最大噪聲聲壓級(jí)在r=0.630R和r=0.800R平面處相互交錯(cuò)出現(xiàn),其中在0°～15°、150°～165°和330°～360°方向下,r=0.630R平面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)比r=0.800R平面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)大,而在180°～210°方向下,r=0.630R平面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)比r=0.800R平面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)小,其他方向幾乎一致。當(dāng)弦向范圍為l2=2 m時(shí),r=0.300R、r=0.467R、r=0.630R和r=0.800R平面都表現(xiàn)出極好的偶極子特性,其中最大連線方向位于0°和180°處,最小連線方向位于90°～270°處。而r=0.950R平面則在90°～270°處連線方向最大,0°和180°處連線方向最小。

2.4.2 聲壓級(jí)分布頻譜

風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)噪聲是周期性旋轉(zhuǎn)的葉片與流動(dòng)空氣質(zhì)點(diǎn)作用產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)經(jīng)由空氣傳播形成的。噪聲聲壓級(jí)強(qiáng)度隨著氣流相對(duì)速度的增大而增強(qiáng)。旋轉(zhuǎn)噪聲具有離散性,基頻時(shí)對(duì)應(yīng)的噪聲最強(qiáng),高次諧音逐漸減少。

基本頻率一般表示為：

(14)

式中：n為轉(zhuǎn)速,r/min;z為葉片數(shù);i為諧波序號(hào),i=1為基頻,i=2,3,…為高次諧波。

圖6為葉片不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)隨頻率分布規(guī)律圖。圖(a)為4個(gè)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置,噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)是以葉片氣動(dòng)中心(0,0,0.950R)為原點(diǎn),依次取正x軸、正y軸、負(fù)x軸、負(fù)y軸r2=2 m處,由于在該展向平面的攻角為3°左右,可認(rèn)為P1在葉片的尾緣處,P2在葉片的吸力面處,P3在葉片的前緣處,P4在葉片的壓力面處。即監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為P1(2,0,0.950R)、P2(0,2,0.950R)、P3(-2,0,0.950R)、P4(0,-2,0.950R)。圖(b)為7 m/s風(fēng)速工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻譜分布圖。從圖中可以看出,聲壓級(jí)沿葉片氣動(dòng)中心一周的分布有所不同。在點(diǎn)P1、點(diǎn)P2和點(diǎn)P4處,噪聲聲壓級(jí)頻譜呈寬頻特性,而點(diǎn)P3處呈低頻特性,尤以鋸齒型葉片的低頻特性最為明顯。點(diǎn)P3和點(diǎn)P4處聲壓級(jí)的主頻為2.4 Hz,強(qiáng)度最大;高階諧波頻率次之,分別為4.8 Hz、7.2 Hz。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲聲壓級(jí)分布

圖7為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)頻譜分布圖。圖(a)為5個(gè)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置,噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)是以葉片氣動(dòng)中心(0,0,z)為原點(diǎn),沿正x軸展向取r2=2 m,即5個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(2,0,0.300R)、(2,0,0.467R)、(2,0,0.630R)、(2,0,0.800R)、(2,0,0.950R)。圖(b)為7 m/s風(fēng)速工況下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻譜分布圖。從圖中可以看出,噪聲聲壓級(jí)沿展向越靠近葉尖部分寬頻分布規(guī)律越明顯,且當(dāng)展向平面r/R>0.467時(shí),聲壓的主頻和高階諧波頻率一致,分別為2.4 Hz、4.8 Hz和7.2 Hz。在展向平面r=0.300R處,風(fēng)力機(jī)鋸齒型與原型的聲壓頻譜差別最大,且風(fēng)力機(jī)葉片葉根處紊亂的流線使風(fēng)力機(jī)原型已不再遵循主頻規(guī)律。在展向平面r=0.467R處,兩者的吻合度最高,r=0.950R監(jiān)測(cè)點(diǎn)處吻合度次之。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲聲壓級(jí)分布

3 結(jié)語(yǔ)

本文以NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)為主要研究對(duì)象,將 NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行鋸齒尾緣改造。運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)整體葉片進(jìn)行計(jì)算,研究7 m/s風(fēng)速工況下的氣動(dòng)特性及噪聲特性,主要得出以下結(jié)論：

1)NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)原型與鋸齒型的主要差別出現(xiàn)在尾緣部分,該截面上鋸齒結(jié)構(gòu)改變了其壓力性能。

2)在葉片吸力面靠近葉尖的尾緣區(qū)域,風(fēng)力機(jī)原型相較于鋸齒型出現(xiàn)了明顯的分離現(xiàn)象,這表明鋸齒結(jié)構(gòu)改變了壁面的分離模式,使流場(chǎng)得到改善。

3)7 m/s風(fēng)速工況時(shí),在同一展向平面,與風(fēng)力機(jī)葉片的距離越大,噪聲聲壓級(jí)越小,基本與翼型聲壓級(jí)分布規(guī)律相吻合。鋸齒型葉片聲壓級(jí)明顯低于原型,證明了鋸齒結(jié)構(gòu)的降噪特性;且聲壓級(jí)在葉片前緣處較大、尾緣次之,這與鋸齒尾緣改善了流動(dòng)狀態(tài)有關(guān),同時(shí)也說(shuō)明了風(fēng)力機(jī)葉片前緣與尾緣是噪聲集中產(chǎn)生的位置。

4)在葉片尾緣處噪聲聲壓級(jí)頻譜呈寬頻特性,而前緣處呈低頻特性,尤以鋸齒型葉片的低頻特性最為明顯。尾緣聲壓級(jí)的主頻為2.4 Hz,強(qiáng)度最大;高階諧波頻率次之,分別為4.8 Hz和7.2 Hz。