離網(wǎng)小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動噪聲作用機(jī)理的研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動噪聲問題已成為限制其進(jìn)一步推廣使用的重要因素。目前，國內(nèi)外學(xué)者在風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動噪聲方面大都是以零散工況進(jìn)行計(jì)算，且以揭示氣動噪聲形成機(jī)理為重點(diǎn)，并未形成系統(tǒng)計(jì)算方法，尚缺少在結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣動噪聲影響等規(guī)律與性能以及低噪聲設(shè)計(jì)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(wǎng)小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動噪聲計(jì)算方法，研究其氣動噪聲特性，揭示主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣動噪聲影響機(jī)理及規(guī)律，以氣動噪聲和氣動性能

2、為優(yōu)化目標(biāo)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)，進(jìn)而達(dá)到提高其綜合性能的目的。
　　論文通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動噪聲數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合的方法，從氣動噪聲特性、結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣動噪聲影響以及低噪聲設(shè)計(jì)方面開展全面系統(tǒng)的研究。主要內(nèi)容如下：
　　首先，通過建立小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要聲源類型及湍流模型，研究其工況狀態(tài)下風(fēng)輪及周圍流場變化規(guī)律。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況結(jié)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(jì)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(fēng)輪進(jìn)行非定常三維流場仿真，進(jìn)而獲取準(zhǔn)確有效的壓力場變化規(guī)律，為噪聲預(yù)測模型的建立奠定了基礎(chǔ)。
　　其次，基于較全面的風(fēng)輪周圍流場分析結(jié)果得出的變化規(guī)律，深入研究其氣動噪聲特性。運(yùn)用FW-H方程建立遠(yuǎn)聲場偶極子聲源氣動噪聲預(yù)測模型，對不同工況流場中不同點(diǎn)的聲壓級進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算，并設(shè)計(jì)氣動特性實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證了預(yù)測模型準(zhǔn)確性。結(jié)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(diǎn)距風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心距離的對數(shù)成線性關(guān)系，且在水平面內(nèi)有明顯的指向性。
　　然后，根據(jù)單因素結(jié)構(gòu)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(jī)理。在葉片數(shù)、高徑比和重疊比基礎(chǔ)上，提出控制葉片形狀的彎度和扭角兩個(gè)參數(shù)，并結(jié)合SolidWorks建模方法及VB二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模過程，研究單因素結(jié)構(gòu)對氣動噪聲的影響機(jī)理。結(jié)果表明：三葉片風(fēng)輪比兩葉片氣動噪聲低2.1dB，且輸出轉(zhuǎn)矩更平穩(wěn)

5、，高徑比增加能夠使渦流噪聲成分降低，進(jìn)而降低整體噪聲，重疊比對風(fēng)輪內(nèi)部流場改變較大，葉片扭角較彎度對風(fēng)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(chǔ)上，提出以氣動噪聲和氣動性能為優(yōu)化目標(biāo)的低噪聲設(shè)計(jì)及力學(xué)性能分析方法。以氣動噪聲、轉(zhuǎn)矩系數(shù)及轉(zhuǎn)矩系數(shù)方差作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用正交試驗(yàn)研究方法，進(jìn)一步研究高徑比、重疊比、葉片彎度及扭角結(jié)構(gòu)參數(shù)中的多因素對評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的影響，得到各個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的參數(shù)。結(jié)果表明：優(yōu)化后風(fēng)輪的氣動噪