基于改进BPM模型的风力机叶片气动噪声数值模拟研究

摘要

随着风电的大规模发展，风电场的选址位置距离居民区越来越近，风电机组的噪声问题逐步凸显。为保证大规模开发风电的同时，尽量减小风电机组对环境、居民的噪声污染，开展风电机组噪声方面的研究，具有重要的工程意义和学术价值。作为风电机组气动噪声的重要组成部分，翼型（直叶片）自噪声是风电机组气动噪声研究的基础，也是本文的主要研究对象。
　　本文首先阐述了声学的基本知识，并介绍了Brooks-Pope-Marcolini(BPM)自噪声半经验预测模型，编写气动噪声预测程序，选用NACA0012、S822、FX63-137翼型，验证BPM自噪声半经验模型，并指出该模型存在的部分不足之处。针对该模型存在的不足，提出了一种改进方案:结合面元法和边界层方程对翼型边界层进行求解，改进原BPM模型中的边界层计算模块，得到一种能考虑翼型几何参数影响的改进型BPM模型，并对该方法进行了验证。为进一步探究翼型自噪声的特点，研究了随机风况下的翼型自噪声，量化了大气湍流强度、随机攻角对翼型自噪声的低频噪声和高频噪声部分的不同影响，为进一步研究翼型自噪声的提供了基础。
　　研究结果表明，BPM模型对部分翼型的噪声预测适用性较好，然而对于大弯度和/或厚度翼型并不适用，该模型未考虑翼型几何参数变化对边界层带来的影响。针对以上问题，利用面元法及边界层方程求解得到边界层参数，替换BPM模型中的边界层预测方法，得到一种可以充分考虑翼型几何参数的改进BPM模型。通过对随机风况下的翼型自噪声进行研究可知，大气湍流强度、攻角的不确定性对各频率声压级均值无明显影响，低频噪声对攻角较为敏感，而对大气湍流强度较敏感的是高频噪声。当风速呈正态分布时，各频率气动噪声基本仍符合正态分布;而当攻角呈正态分布时，各频率气动噪声不再符合正态分布，更趋向于β分布。

目录

声明

摘要

物理量名称及符号表

第1章 绪论

1．1 全球风电发展现状

1．2 中国风电发展现状

1．3 选题背景及研究现状

1．3．1 研究背景

1．3．2 国外研究现状

1．3．3 国内研究现状

1．4 主要工作

第2章 气动噪声预测模型

2．1 声学基础

2．1．1 声波的产生

2．1．2 频率、波长、声速

2．1．3 声压

2．1．4 声能量、声功率、声强

2．1．5 声强级、声压级、声功率级

2．1．6 声波的叠加

2．1．7 声波的频谱

2．1．8 倍频程

2．2 BPM自噪声半经验预测模型

2．2．1 湍流边界层尾缘噪声

2．2．2 分离流噪声

2．2．3 层流边界层尾缘脱落涡噪声

2．2．4 钝尾缘噪声

2．2．5 叶尖涡噪声

2．3 BPM模型涉及的其他参数

2．3．1 指向性函数

2．3．2 BPM模型边界层计算方法

2．4 本章小结

第3章 气动噪声预测模型的验证

3．1 引言

3．2 NACA0012翼型验证

3．2．1 计算一设置

3．2．2 计算二设置

3．2．3 计算结果及分析

3．3 S822翼型验证

3．3．1 计算设置

3．3．2 计算结果及分析

3．4 FX63-137翼型验证

3．4．1 计算一设置

3．4．2 计算二设置

3．4．3 计算结果及分析

3．5 本章小节

第4章 气动噪声预测模型的改进

4．1 引言

4．2 面元法

4．3 层流边界层求解的Thwaites-Walz方法

4．3．1 边界层基本知识

4．3．2 Thwaites-Walz方法

4．4 BPM自噪声半经验模型的改进

4．4．1 改进模型简介

4．4．2 改进模型具体实施方法及计算案例

4．4．3 模型验证及分析

4．5 本章小节

第5章 随机风况下叶片自噪声的数值模拟

5．1 引言

5．2 蒙特卡洛方法

5．3 计算模型设置

5．3．1 计算模型参数

5．3．2 计算设置

5．4 计算结果及分析

5．5 本章小节

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢