基于致動(dòng)線/BPM模型結(jié)合的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲研究

程 志，楊建剛

（東南大學(xué) 火電機(jī)組振動(dòng)國(guó)家工程研究中心，南京 210096）

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，全球風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率在不斷増加，風(fēng)資源開(kāi)發(fā)已從沿海向內(nèi)陸展開(kāi)[1]。風(fēng)資源開(kāi)發(fā)距離居民生活區(qū)越來(lái)越近。同時(shí)，為了提高風(fēng)力機(jī)的效率，風(fēng)力機(jī)也一直在向大型化發(fā)展，其氣動(dòng)噪聲也不斷增加，不可避免影響到居民的生活。

Nii和Yoshinor等[2]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)在規(guī)劃和選址時(shí)，氣動(dòng)噪聲是必須要考慮的影響因子之一。荷蘭、德國(guó)和丹麥等國(guó)家對(duì)風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的噪聲水平是否影響周邊居民和動(dòng)物生活進(jìn)行過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲對(duì)候鳥(niǎo)遷徙有很大影響[3]。同時(shí)音量和頻率等聲音參數(shù)的變化將會(huì)直接影響居民的身心健康。因此，風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲也成為近來(lái)的研究熱點(diǎn)。

氣動(dòng)聲學(xué)的研究主要分為直接模擬[4-6]和混合模擬[7-9]兩類。直接模擬方法雖然精度高，但其計(jì)算量巨大。混合模擬方法將流場(chǎng)與聲場(chǎng)的計(jì)算分開(kāi)，更適合于復(fù)雜的工業(yè)模型，其中各種軟件中流場(chǎng)的計(jì)算方法已經(jīng)相對(duì)成熟，但聲場(chǎng)模擬仍然相對(duì)滯后。除了經(jīng)驗(yàn)方法外，目前被廣泛使用的聲場(chǎng)計(jì)算方法是Lighthill聲理論[7]以及其延伸理論，可對(duì)翼型噪聲[8]、風(fēng)力機(jī)近遠(yuǎn)噪聲開(kāi)展研究[9-12]。但該方法是基于 Lighthill、Lighthill-Curle 和 Ffowcs Williams-Hawkings方程，經(jīng)過(guò)一定簡(jiǎn)化后推導(dǎo)得到的解析解[13]，會(huì)忽略掉流場(chǎng)中一些壓強(qiáng)波動(dòng)，造成誤差[14]，具有局限性。相比之下，利用原始聲學(xué)方程[15-16]進(jìn)行微分計(jì)算更準(zhǔn)確且適用面更廣泛，并且能夠展現(xiàn)出聲波向外傳播的過(guò)程[17]。目前國(guó)內(nèi)的聲場(chǎng)研究仍然廣泛基于常用的積分法開(kāi)展。本文聲場(chǎng)計(jì)算基于聲學(xué)擾動(dòng)方程微分法展開(kāi)。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的流場(chǎng)仿真計(jì)算中，致動(dòng)線模型因?yàn)椴挥脤?duì)風(fēng)力機(jī)實(shí)體模型進(jìn)行解析，免去了在葉片表面邊界層進(jìn)行高精度解析的要求，對(duì)網(wǎng)格要求較低、計(jì)算速度快[18]，在風(fēng)場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)以及尾流計(jì)算中有很大優(yōu)勢(shì)并被廣泛使用[19]。但致動(dòng)線模型無(wú)法解析葉片邊界層，邊界層的翼型自噪聲聲源無(wú)法通過(guò)致動(dòng)線方法獲得。BPM模型不包括尾流波動(dòng)帶來(lái)的噪聲源，但可以提供在致動(dòng)線模型中缺失的翼型自噪聲聲源，同時(shí)基于聲學(xué)波動(dòng)方程計(jì)算聲場(chǎng)具有精度高、能夠展現(xiàn)聲波傳播過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)。因此本文將致動(dòng)線方法和BPM模型進(jìn)行結(jié)合來(lái)計(jì)算聲學(xué)擾動(dòng)方程的聲源項(xiàng)。

本文以O(shè)penFOAM為平臺(tái)，模擬點(diǎn)聲源擴(kuò)散，并通過(guò)與聲學(xué)理論的對(duì)比，驗(yàn)證聲學(xué)擾動(dòng)方程以及代碼編寫(xiě)的正確性；然后，基于致動(dòng)線模型計(jì)算并分析某型號(hào)風(fēng)力機(jī)的流場(chǎng)，同時(shí)基于BPM模型計(jì)算同一型號(hào)風(fēng)力機(jī)的聲壓情況；最后，將根據(jù)致動(dòng)線模型計(jì)算出的流場(chǎng)與根據(jù)BPM模型計(jì)算得出的聲源結(jié)合，作為完整聲源項(xiàng)放入聲學(xué)波動(dòng)方程來(lái)計(jì)算聲場(chǎng)，對(duì)聲場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

1 數(shù)值方法

1.1 不可壓縮混合RANS/APE聲場(chǎng)計(jì)算

本文聲場(chǎng)計(jì)算基于混合方法來(lái)開(kāi)展，在該方法中，詳細(xì)的流體參數(shù)被分解成不可壓縮的流動(dòng)變量及可壓縮的波動(dòng)變量

式中：u′、p′和ρ′為瞬時(shí)不可壓縮速度、瞬時(shí)不可壓縮壓強(qiáng)和瞬時(shí)不可壓縮密度，U、ρ0和P分別為流場(chǎng)計(jì)算中得到的不可壓縮速度、不可壓縮密度和不可壓縮壓強(qiáng)。其中不可壓縮流動(dòng)的參數(shù)包括了湍流流場(chǎng)的信息，后面的可壓縮波動(dòng)參數(shù)代表聲場(chǎng)情況，本文風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)致動(dòng)線計(jì)算基于RANS湍流模型。

當(dāng)獲得不可壓縮流場(chǎng)信息后，便可以基于聲學(xué)擾動(dòng)方程進(jìn)行聲場(chǎng)的計(jì)算。Ewert在論文中提及了多種不同形式的聲波擾動(dòng)方程[20]，本文使用的聲波擾動(dòng)方程在某一維方向上表達(dá)如下

式中：i、j、k分別表示三維向量方向，APE方程左邊的波動(dòng)參數(shù)包括了非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)中聲場(chǎng)傳播的信息，方程的右邊涵蓋了聲源項(xiàng)，這里是來(lái)自流場(chǎng)的壓強(qiáng)變化為中間變量，c為聲速，δ為張量轉(zhuǎn)換因ij子為黏性力。關(guān)于聲學(xué)波動(dòng)信息的傳播方程是從原始的可壓縮流動(dòng)方程推導(dǎo)而來(lái)，需要從可壓縮流動(dòng)方程中將不可壓縮部分除去[21]。由于空氣中的壓強(qiáng)擾動(dòng)引起耳膜振動(dòng)并經(jīng)聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)傳至大腦被確定為聲音[13，22]，得到流體波動(dòng)參數(shù)后便可以得到聲音信息。APE聲學(xué)擾動(dòng)方程已經(jīng)在低馬赫數(shù)流動(dòng)問(wèn)題、湍流問(wèn)題以及點(diǎn)聲源擴(kuò)散問(wèn)題中被驗(yàn)證正確[23-24]。

1.2 致動(dòng)線模型

致動(dòng)線模型是一種計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)流場(chǎng)的常用方法。風(fēng)力機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)施加氣動(dòng)力給周圍的空氣，基于BEM葉素模型將葉片和周圍流體相互作用的體積力提取出來(lái)，然后施加到致動(dòng)線模型的三維納維-斯托克斯控制方程中，用來(lái)替代葉片表面的負(fù)載。

式中：f為施加的體積力。

通過(guò)計(jì)算BEM葉素模型以及翼型參數(shù)，可以得到施加的體積力f[19]。BEM葉素模型將葉片沿著翼展劃分成連續(xù)的小段，然后將每一段葉素視為一個(gè)二維翼型。每段葉素的攻角由該段所在的速度三角形決定，每段葉素的升力和阻力由該段所在升阻力系數(shù)決定。該模型運(yùn)用廣泛，數(shù)學(xué)原理在此不做闡述。

由于致動(dòng)線模型無(wú)法解析葉片邊界層，邊界層的翼型自噪聲聲源無(wú)法通過(guò)致動(dòng)線方法獲得。所以引入BPM模型來(lái)考慮翼型自噪聲聲源的影響。

1.3 制動(dòng)線模型-BPM模型結(jié)合

對(duì)于翼型自噪聲，BPM模型是最常用的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，由Brooks、Pope和Marcolini在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上提出[25]。翼型自噪聲又分為：湍流邊界層尾緣噪聲、分離流噪聲、層流邊界層渦脫噪聲、葉尖渦噪聲和鈍尾緣渦脫噪聲。每種噪聲類型都有自己的半經(jīng)驗(yàn)公式，在每段葉素上，通過(guò)半經(jīng)驗(yàn)公式提取得到10 Hz到20000 Hz中三分之一聲壓頻段的5種噪聲來(lái)源。來(lái)自于致動(dòng)線模型的噪聲源仍然保留在式（5）中。這里通過(guò)高斯正則化對(duì)來(lái)自于BPM半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑肼曉催M(jìn)行處理，同時(shí)為了避免數(shù)據(jù)計(jì)算產(chǎn)生奇異性，不能用聲源點(diǎn)聲壓替代，研究發(fā)現(xiàn)距離各段葉素一個(gè)弦長(zhǎng)位置范圍內(nèi)的聲壓已經(jīng)保持不變，本文用距離各段葉素十分之一弦長(zhǎng)位置的聲壓來(lái)替代該葉素所在位置的聲壓，然后轉(zhuǎn)換為波動(dòng)壓強(qiáng)

然后式（5）被改寫(xiě)為

式中：m為風(fēng)力機(jī)葉片的數(shù)目，n為每段葉片被劃分的葉素?cái)?shù)量，l為10 Hz到20000 Hz之間三分之一倍頻程頻率的數(shù)量，根據(jù)三分之一倍頻程的劃分規(guī)則，文中l(wèi)為31。d(=|x-se|)仍為正則化過(guò)程中某坐標(biāo)為(x,y,z)的網(wǎng)格中心點(diǎn)到對(duì)應(yīng)致動(dòng)線中心點(diǎn)的距離，?為BPM聲源波動(dòng)壓強(qiáng)的高斯光滑系數(shù)。

2 算例與結(jié)果分析

2.1 點(diǎn)聲源擴(kuò)散

先對(duì)基于聲學(xué)擾動(dòng)方程的聲場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證分析，將計(jì)算結(jié)果與空氣中點(diǎn)聲源的耗散理論進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。計(jì)算域模擬邊長(zhǎng)為200 m的的正方形擴(kuò)散域，在正方形擴(kuò)散域中心設(shè)置點(diǎn)聲源。時(shí)間格式采用Crank-Nicholson格式，其它如梯度格式、散度格式及拉普拉斯項(xiàng)格式等采用Gauss linear 2階格式。網(wǎng)格設(shè)置為4001×5×5，可以看出，Y方向和Z方向網(wǎng)格十分稀疏，在這兩個(gè)方向傳播的聲參數(shù)由于無(wú)法被網(wǎng)格識(shí)別會(huì)直接耗散。對(duì)聲音在X方向上的傳播情況進(jìn)行分析，采集點(diǎn)在Y及Z方向上與聲源點(diǎn)的距離為0，在X方向上與聲源點(diǎn)的距離分別為2、4、6、8、10、20、30、40、50，單位是米，如圖1所示。

圖1 點(diǎn)聲源示意圖

將點(diǎn)聲源頻率設(shè)置為80 Hz，幅值一定，當(dāng)計(jì)算時(shí)間達(dá)0.5 s時(shí)，聲場(chǎng)傳播到計(jì)算域邊界。t=0.4 s時(shí)的聲壓傳播截面圖如圖2所示，可以看出Y及Z方向的聲波被粗糙網(wǎng)格快速耗散。點(diǎn)聲源向四周傳播時(shí)波動(dòng)壓強(qiáng)的數(shù)值越來(lái)越小。

圖280 Hz點(diǎn)聲源擴(kuò)散t=0.4 s時(shí)壓強(qiáng)波動(dòng)截面圖

根據(jù)點(diǎn)聲源在干燥空氣中傳播的斯托克斯聲衰減定律[22]，聲壓的衰減滿足公式

式中：A0可以為某點(diǎn)的聲壓，A()d為與該點(diǎn)距離為d的另外一點(diǎn)的聲壓，α與傳播介質(zhì)、聲源形式以及傳播方式等有關(guān)，與聲源頻率的平方成正比，滿足α∝ω2。

將點(diǎn)聲源頻率分別設(shè)置為40 Hz、80 Hz、200 Hz及300 Hz，幅值相同，為一定值，其他模擬參數(shù)相同。表1是不同頻率點(diǎn)聲源傳播模擬中相鄰采集點(diǎn)間衰減指數(shù)α的變化情況。

圖3（a）是不同頻率點(diǎn)聲源傳播計(jì)算結(jié)果及其擬合曲線。結(jié)合表1及圖3（a）可以看出，低頻點(diǎn)聲源擬合情況優(yōu)秀，高頻點(diǎn)聲源由于傳播衰減太快，遠(yuǎn)距離時(shí)網(wǎng)格難以捕捉聲參數(shù)，模擬得出的高頻衰減指數(shù)在遠(yuǎn)距離時(shí)有誤差。在另外的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)，在工程噪聲問(wèn)題分析中，由于高頻聲音衰減很快，進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)分析時(shí)可以不考慮，可以根據(jù)情況調(diào)整網(wǎng)格精度。

表1 不同頻率聲源相鄰采集點(diǎn)間衰減指數(shù)α的變化情況

圖3（b）展示了不同頻率噪聲衰減指數(shù)與頻率之間的關(guān)系，說(shuō)明在某一網(wǎng)格精度下，噪聲衰減模擬滿足α∝ω2。可以看出，用文中基于APE編寫(xiě)的OpenFOAM聲場(chǎng)求解器模擬聲源傳播時(shí)，符合衰減指數(shù)α與頻率平方成正比的斯托克斯聲衰減定律，基于聲學(xué)擾動(dòng)方程的聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果正確。

2.2 NREL5MWRef風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)

驗(yàn)證了聲場(chǎng)計(jì)算方法的正確性后，這部分以及下節(jié)將研究分析NREL5MWRef型號(hào)風(fēng)力機(jī)的流場(chǎng)和聲場(chǎng)。NREL5MWRef型號(hào)風(fēng)力機(jī)以及計(jì)算風(fēng)場(chǎng)域的參數(shù)如表2所示。風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域如圖4所示。

表2 NREL5MWRef風(fēng)力機(jī)參數(shù)

圖3 不同頻率點(diǎn)聲源傳播中采集點(diǎn)波動(dòng)壓強(qiáng)

圖4 風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域示意圖

由于致動(dòng)線模型和BPM模型的植入都不需要對(duì)葉片邊界層局部解析，并且下文基于聲學(xué)擾動(dòng)方程的聲場(chǎng)計(jì)算需要在遠(yuǎn)場(chǎng)保持相同的網(wǎng)格精度，結(jié)合研究經(jīng)驗(yàn)，平衡計(jì)算精度和時(shí)間后，沿整個(gè)計(jì)算域3個(gè)方向采用等距的200×200×60網(wǎng)格布置。流場(chǎng)計(jì)算中時(shí)間步長(zhǎng)δt為0.05 s，時(shí)間微分采用Crank-Nicholson格式，其它離散如梯度格式、散度格式及拉普拉斯項(xiàng)格式等采用Gauss linear2階格式。在時(shí)間步t=80 s時(shí)，計(jì)算域內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)已經(jīng)完全被解析。此時(shí)流場(chǎng)的速度云圖以及湍動(dòng)能云圖如圖5所示。

速度云圖分為3個(gè)扇區(qū)，對(duì)應(yīng)3個(gè)葉片，反映了風(fēng)力機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的速度變化規(guī)律。由圖5（a）可以看出，風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)區(qū)域具有后面有明顯的速度下降、隨著距離越來(lái)越遠(yuǎn)速度逐漸恢復(fù)的趨勢(shì)；本文設(shè)定風(fēng)力機(jī)來(lái)流為均勻來(lái)流，故如圖5（b）所示，整體湍流強(qiáng)度低。但在風(fēng)力機(jī)后面的位置仍然有明顯的湍流存在，并隨著距離越來(lái)越遠(yuǎn)，湍流強(qiáng)度減輕。湍流的云圖趨勢(shì)和速度的云圖趨勢(shì)保持一致，并與實(shí)際情況相吻合。

圖6為風(fēng)力機(jī)尾流的渦量等值面，能夠清晰反映尾跡流場(chǎng)的特點(diǎn)。由于NREL5MWRef型號(hào)風(fēng)力機(jī)尺寸大，葉尖速比高，葉尖渦會(huì)迅速破碎耗散，且由于此時(shí)泄渦頻率很大，尾渦的螺旋狀結(jié)構(gòu)相對(duì)小風(fēng)力機(jī)不太明顯。

圖5 風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)

圖6 風(fēng)力機(jī)渦量圖

該型號(hào)風(fēng)力機(jī)暫時(shí)沒(méi)有對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但致動(dòng)線模型是一種很成熟的風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)計(jì)算模型。其正確性在以往大量研究中都有驗(yàn)證，本課題組關(guān)于致動(dòng)線模型流場(chǎng)也有大量的基礎(chǔ)工作。

2.3 NREL5MWRef風(fēng)力機(jī)聲場(chǎng)

在前文得到的風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，加上從BPM模型中得到的聲源，進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算。時(shí)間微分采用Crank-Nicholson格式，其它離散如梯度格式、散度格式及拉普拉斯項(xiàng)格式等采用Gauss linear 2階格式。受計(jì)算量與計(jì)算時(shí)間的限制，時(shí)間步長(zhǎng)δt取0.002 s，這對(duì)高頻噪聲的解析有一定影響，不過(guò)實(shí)際情況中高頻噪聲消減很快，在遠(yuǎn)場(chǎng)分析時(shí)可以放在次要位置。該聲場(chǎng)計(jì)算以完全解析流場(chǎng)為起始點(diǎn)，采用并行計(jì)算，調(diào)用超算共75個(gè)2 G的CPU，計(jì)算時(shí)間3天。

人耳能夠識(shí)別的極限聲源頻率范圍為10 Hz到20000 Hz，故在從BPM模型中抽離聲源時(shí)，選擇10Hz到20000 Hz范圍內(nèi)的三分之一倍頻程。圖7展示了從BPM模型中抽離出的20 Hz、200 Hz、1000 Hz和20000 Hz頻率聲源，由于葉片的偏轉(zhuǎn)，某一垂直截面上3個(gè)葉片的壓強(qiáng)云圖不一樣。

由圖7中可以看出，不同頻率情況下聲源的量級(jí)有很大差距，中間頻率部分的聲壓級(jí)水平更高；另外，葉片上聲源重心位置不同，這體現(xiàn)出葉片位置、聲源頻率以及發(fā)聲機(jī)理之間的關(guān)系。雖然不同頻率下聲源位置分布不一，但整體上呈現(xiàn)頻率越高、聲源重心越靠近葉尖位置的現(xiàn)象，這是因?yàn)槿~尖位置與空氣的相對(duì)速度大，渦脫落頻率高，流場(chǎng)變化相對(duì)葉根更為劇烈，聲源頻率高。

圖7 不同頻率的BPM聲源聲壓云圖

圖8是波動(dòng)壓強(qiáng)在不同時(shí)刻的云圖，體現(xiàn)了聲壓逐漸向外傳播的過(guò)程，最后再覆蓋到全域。聲音在空氣中擴(kuò)散時(shí)，一方面隨著傳播球面的表面積越來(lái)越大，單位面積聲壓強(qiáng)度越來(lái)越小，同時(shí)由于空氣介質(zhì)的吸收作用，攜帶聲音信息的粒子在介質(zhì)中震蕩能量被消耗，高頻噪聲震蕩越快，消耗速度越快，所以高頻噪聲消散很快，從圖8中可以看出隨著聲壓的擴(kuò)散，強(qiáng)度逐漸減輕。同時(shí)在靠近地面附近，由于聲壓的反射可以看到干涉情況出現(xiàn)，各截圖的底部為地面。

圖9為不同觀察點(diǎn)（-200，0，0）及（-100，0，0）處波動(dòng)壓強(qiáng)的頻譜圖，點(diǎn)（-200，0，0）在風(fēng)力機(jī)正上方。由于風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速是12.1 r/min，可以看到，各位置聲壓級(jí)的頻譜在該頻率附近能量很高，交織在一起，并且由于低頻衰減較慢，低頻聲壓級(jí)沒(méi)有什么差別。隨著頻率增大，可以看到點(diǎn)（-200，0，0）仍然呈現(xiàn)一定的波峰，這些波峰有相當(dāng)一部分來(lái)自于從BPM半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭刑砑拥脑肼曉?，但較遠(yuǎn)處聲壓級(jí)的高頻部分迅速衰減，能量變小，這與聲源傳播的規(guī)律相一致。很多調(diào)查顯示，風(fēng)場(chǎng)附近的居民對(duì)高頻噪聲的感知較弱，但風(fēng)力機(jī)低頻噪聲產(chǎn)生的連續(xù)不斷的“嗡嗡嗡”聲音會(huì)使他們極為難受，尤其在夜間使人難以入眠。

圖8 不同時(shí)刻聲壓波動(dòng)p′

圖9 聲壓級(jí)頻譜圖

圖10為聲場(chǎng)被完全解析后，在風(fēng)力機(jī)軸心處3個(gè)垂直法向截面上SPL聲壓級(jí)的云圖，可以看出沿著下風(fēng)向的聲壓級(jí)強(qiáng)度比上風(fēng)向的聲壓級(jí)強(qiáng)度更大，風(fēng)力機(jī)周圍的云圖不完全對(duì)稱，向下風(fēng)向輕微偏移。

圖10 風(fēng)力機(jī)周圍SPL聲壓級(jí)云圖

風(fēng)力機(jī)周圍的聲壓級(jí)可以達(dá)到100 dB，但在向外擴(kuò)散過(guò)程中衰減，風(fēng)力機(jī)垂直于風(fēng)向兩側(cè)的聲壓級(jí)云圖較弱，這與基于各種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚26]畫(huà)出的聲壓級(jí)指向性圖特征相似。由于網(wǎng)格精度的限制，遠(yuǎn)場(chǎng)的真實(shí)聲壓級(jí)會(huì)更強(qiáng)。致動(dòng)線模型沒(méi)有考慮塔架的影響，在后面的研究中可以基于致動(dòng)線相似的原理，將塔架簡(jiǎn)化成固定的體積力加入控制方程，模擬塔架對(duì)聲場(chǎng)以及流場(chǎng)的作用，以提高精度。

圖11給出了風(fēng)力機(jī)周圍半徑100 m和半徑240 m處的SPL指向性分析。

圖11 不同半徑處聲壓指向性圖

可以看出，由于采集點(diǎn)離風(fēng)力機(jī)很近，噪聲還未開(kāi)始進(jìn)行對(duì)稱式擴(kuò)散衰減，半徑100 m處的聲壓指向性圖分布相對(duì)均勻，這一點(diǎn)與圖10（c）一致；而到了半徑240 m處，聲場(chǎng)在擴(kuò)散的過(guò)程中逐漸變得不均勻，但呈現(xiàn)對(duì)稱分布的特征，且在風(fēng)力機(jī)兩側(cè)聲壓級(jí)收縮，在下風(fēng)向位置聲壓級(jí)強(qiáng)度突出。240 m處聲壓級(jí)強(qiáng)度整體小于100 m處的聲壓級(jí)強(qiáng)度，但在局部由于地面反射作用聲壓強(qiáng)度更強(qiáng)，地面反射的作用在遠(yuǎn)場(chǎng)會(huì)被弱化。

由于該風(fēng)力機(jī)體型很大，難以開(kāi)展相關(guān)的流場(chǎng)以及聲場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照。但本文對(duì)該風(fēng)力機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，除了成熟的制動(dòng)線模型外，采用的聲場(chǎng)計(jì)算方法在點(diǎn)聲源擴(kuò)散模擬中已經(jīng)得到驗(yàn)證。

在以后的風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)、城市小風(fēng)力機(jī)等設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮距離、方位的影響，結(jié)合噪聲類型、頻率對(duì)人的聽(tīng)覺(jué)干擾，根據(jù)噪聲傳播特征布置合適的隔音板，建立綠色、清潔、舒適的生活工作環(huán)境。

3 結(jié)論與展望

首先模擬點(diǎn)聲源擴(kuò)散，驗(yàn)證了聲學(xué)擾動(dòng)方程以及代碼編寫(xiě)的正確性。聲場(chǎng)采用基于聲學(xué)波動(dòng)方程的微分求解方法，與傳統(tǒng)的FW-H積分法相比，避免了在公式推導(dǎo)過(guò)程中的簡(jiǎn)化誤差，同時(shí)能夠形象體現(xiàn)聲場(chǎng)傳播過(guò)程。

提出了一種新的模擬風(fēng)力機(jī)噪聲的方法，結(jié)合致動(dòng)線模型和BPM半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透髯缘膬?yōu)勢(shì)，共同為聲學(xué)擾動(dòng)方程提供聲源，來(lái)計(jì)算風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲。

研究了單個(gè)風(fēng)力機(jī)在穩(wěn)定均勻來(lái)流工況下的聲場(chǎng)情況，后面將會(huì)對(duì)多風(fēng)力機(jī)、復(fù)雜地形以及湍流來(lái)流進(jìn)行研究。