離網小型垂直軸風力發(fā)電機氣動噪聲作用機理的研究與結構優(yōu)化.pdf

1、風力發(fā)電機的氣動噪聲問題已成為限制其進一步推廣使用的重要因素。目前，國內外學者在風力發(fā)電機氣動噪聲方面大都是以零散工況進行計算，且以揭示氣動噪聲形成機理為重點，并未形成系統(tǒng)計算方法，尚缺少在結構參數(shù)對氣動噪聲影響等規(guī)律與性能以及低噪聲設計方面較為系統(tǒng)全面的研究。因此，論文基于大渦模擬（LES）方法及FW-H方程建立離網小型垂直軸風力發(fā)電機氣動噪聲計算方法，研究其氣動噪聲特性，揭示主要結構參數(shù)對氣動噪聲影響機理及規(guī)律，以氣動噪聲和氣動性能

2、為優(yōu)化目標對風力發(fā)電機進行低噪聲設計，進而達到提高其綜合性能的目的。
　　論文通過風力發(fā)電機氣動噪聲數(shù)值計算與實驗研究結合的方法，從氣動噪聲特性、結構參數(shù)對氣動噪聲影響以及低噪聲設計方面開展全面系統(tǒng)的研究。主要內容如下：
　　首先，通過建立小型垂直軸風力發(fā)電機主要聲源類型及湍流模型，研究其工況狀態(tài)下風輪及周圍流場變化規(guī)律。根據(jù)風力發(fā)電機運行情況結合氣動聲源類型理論，確定偶極子聲源是主要聲源類型，并通過對幾種湍流計算模型的綜合

3、分析，建立能夠捕捉到較全脈動信息的不可壓縮 LES湍流模型對風輪進行非定常三維流場仿真，進而獲取準確有效的壓力場變化規(guī)律，為噪聲預測模型的建立奠定了基礎。
　　其次，基于較全面的風輪周圍流場分析結果得出的變化規(guī)律，深入研究其氣動噪聲特性。運用FW-H方程建立遠聲場偶極子聲源氣動噪聲預測模型，對不同工況流場中不同點的聲壓級進行系統(tǒng)計算，并設計氣動特性實驗平臺驗證了預測模型準確性。結果表明：其氣動噪聲包括離散噪聲和渦流噪聲，渦流噪聲占

4、整體噪聲主要部分，聲壓級與監(jiān)測點距風輪旋轉中心距離的對數(shù)成線性關系，且在水平面內有明顯的指向性。
　　然后，根據(jù)單因素結構參數(shù)對流場的影響，研究對氣動噪聲頻譜及功率譜密度作用機理。在葉片數(shù)、高徑比和重疊比基礎上，提出控制葉片形狀的彎度和扭角兩個參數(shù)，并結合SolidWorks建模方法及VB二次開發(fā)技術實現(xiàn)風輪的結構參數(shù)化建模過程，研究單因素結構對氣動噪聲的影響機理。結果表明：三葉片風輪比兩葉片氣動噪聲低2.1dB，且輸出轉矩更平穩(wěn)

5、，高徑比增加能夠使渦流噪聲成分降低，進而降低整體噪聲，重疊比對風輪內部流場改變較大，葉片扭角較彎度對風輪表面壓力分布影響更大。
　　最后，在以上系統(tǒng)性理論研究的基礎上，提出以氣動噪聲和氣動性能為優(yōu)化目標的低噪聲設計及力學性能分析方法。以氣動噪聲、轉矩系數(shù)及轉矩系數(shù)方差作為評價標準，采用正交試驗研究方法，進一步研究高徑比、重疊比、葉片彎度及扭角結構參數(shù)中的多因素對評價標準的影響，得到各個結構優(yōu)化后的參數(shù)。結果表明：優(yōu)化后風輪的氣動噪