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小型垂直轴风力发电机的气动噪声数值模拟与试

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小型垂直轴风力发电机的气动噪声数值模拟与试

责任编辑:澳门威尼斯app下载??? 发布时间:2020-10-19 ??? 【

摘 要:为了降低小型垂直轴风力发电机的气动噪声,对其噪声产生机理进行了分析。首先,在瞬态计算时运用大涡模拟(LES)模型对在一定工况下的三维风轮周围的流场进行分析;其次,在声学计算时运用FW-H方程对风轮产生的气动噪声进行分析并得出频谱;最后,通过实例验证了该方法能有效预测其气动噪声。结果表明:小型垂直轴风力发电机的气动噪声主要是涡流噪声;监测点的噪声值随着离风轮旋转轴半径的增加而减小,且在垂直于叶轮旋转轴的平面上具有指向性。小型垂直轴风力发电机的气动噪声分析为其进一步低噪声优化提供了依据。

关键词:小型垂直轴风力发电机;气动噪声;FW-H方程

1 引言

风力发电机(简称“风力机”)按照电机轴与地面夹角可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。垂直轴风力机有很多发展优势:运行时所需空间较小,安装方便,便于维修;没有迎风装置,能够接受劝拿磐尼斯app下载夥缦颍黄舳缢俚汀4送猓湟都馑俦扔氪笮头缌啾冉闲。屎显诔鞘泻团┐逵τ[1,2],虽然运行时产生的噪声相对较低,但其运行环境距离居民居住的环境较近,人们长期生活在这种环境中对自身健康有严重的危害,因此对其产生的气动噪声原因进行分析是十分必要的。

文献[3]通过分析风力机噪声产生的规律,得出其噪声是由振动噪声和空气动力学噪声组成,并在此基础上提出了主动控制和被动控制两种降噪方法。文献[4]通过对振动噪声和空气动力学噪声进行理论分析,得出小型风力机主要噪声是空气动力学噪声。但文献[3,4]并没有对其声压级(SPL)进行预测。文献[5]使用了RANS模型对阻力型风力机声压级进行了预测,并对其噪声进行了优化,但是此模型不能对网格点上瞬态值进行求解。文献[6]设计出了垂直轴风力机的空气动力学模型,并在此基础上对其性能进行了预测。文献[7]运用半经验模型对风力机的产生噪声原因进行研究,得出了声功率和总声功率的测量值。文献[8]利用SST κ-ω模型对二维垂直轴风力机模型采用非定常流场特性分析,获得了风轮转矩的变化规律,并得到了压力场的分布。

国内外学者对风力机的气动噪声分析大都集中在大型水平轴风力机上,而在小型垂直轴风力机气动噪声方面的研究较少。本文利用CFD方法对三维垂直轴风力机周围流场进行分析,利用LES模型以及运用FW-H方程对其噪声进行预测,对小型垂直轴风力机的声压级进行预测,并分析其产生的气动噪声频谱,进而为低噪声小型垂直轴风力机的设计提供理论依据。

2 计算气动声学(CAA)模型的建立

本文以H型垂直轴风力机为分析对象,其风轮的真实结构较为复杂,由于在风轮中的叶片部分对流场影响最大,其它构件对流场影响较小,所以在建模时只保留叶片部分[9],其简化后结构如图1所示,所用的翼型为NACA0015,表1为风轮设计参数。

图1 风轮简化三维模型

表1 风轮参数

采用三维模型对其进行分析虽然会造成计算机内存消耗更大和所需计算时间更长,但便于风轮周围流场的水平面和垂直面的云图的分析。流场模型的建立有两部分:旋转域和静止域,其具体尺寸见图2。旋转域是风轮旋转的区域,根据风轮的尺寸确定旋转域的尺寸,内径为680mm,外径为720mm,高为820mm,中心位置与风轮的中心位置重合;静止域是流体流经风轮及其周围的区域,长为8000mm,宽为4000mm,高为2000mm。

图2 旋转域、静止域尺寸

利用Workbench Mesh模块对模型进行网格划分,采用Fluent网格类型,此网格划分比较细化,能够捕捉到速度、压力等变化梯度,并且有很好的平滑过渡网格。划分后的网格节点数8万左右,网格数40万左右。设置计算域的边界条件:入口为velocity-inlet,出口为pressure-outlet,其余四个面设置为pressure-far-field。图3为计算域的网格划分以及设定的边界条件类型。

图3 设置边界条件

瞬态流场分析时以稳态分析的结果作为其分析的初始流场。在瞬态计算时采用滑移网格模型,此旋转类型模拟非定常流场变化,在动静部件交界处设置交界面。采用PISO算法求解Pressure-Velocity Coupling的关系;运用空间离散化算法,采用PRESTO!插值法求解计算面上的压力;采用Least Squares Cell Based方法求解单元中心的变量梯度;采用Bounded Central Differencing为动量方程空间离散化格式[10]。流体类型为不可压缩流体,马赫数计算式:

(1)

式中 v——流场中某点的速度,m/s

c——当地的声速,m/s,c=340 m/s

当叶尖速比λ=3,风速为10m/s的工况下的马赫数Ma=0.088,小于0.3,因此流体是不可压缩的。

在声学计算部分,以Lighthill声学类比理论为基础,运用FW-H方程对流场进行计算[11],FW-H方程:

四极子声源   偶极子声源

+

单极子声源

(2)

其中 Tij=ρvivj+[(p-p0)-c2(ρ

-ρ0)]δij-τij

式中 p′——远声压,p′=p-p0

δ(f)——狄拉克函数

f——壁面函数

vi——流体速度

xi——空间坐标

Tij——Lighthill张量

由式(2)可知气动噪声有以上3种声源。在流场中式(2)的第一项与第二项之比与Ma2成正比,由方程(1)可知风轮的运动属于低速运动,因此第一项可以忽略,风轮可以看做为刚性的,第三项可以忽略。声学计算步长和最大频率有关:f=1/(2Δt)。从20Hz到20kHz是人们正常听力所听到的声音频率段,当高于12kHz的频率声音在空气中传播时会衰减很快,因此选用的最大频率为12kHz,则计算步长Δt=0.000042s。

运用快速傅里叶变化(FFT)使监测的脉动压力变化的时域响应变为表示声音变化的频域响应。

其基本形式:

(3)

离散形式:

k=0,1,2,…,N-1 (4)

若N=2i,i=0,1,2,…,k,能够求出FFT的形式。

3 气动噪声分析

3.1 流场的计算及分析

在风力机流场分析中,入口采用velocity-inlet边界,风速设定为10m/s;选用大涡模拟模型进行瞬态计算。风轮的叶尖速比λ=3,风轮的转速为409.26r/min。

在进行声场计算之前通过检测阻力系数和升力系数的变化趋势来判断流场发展情况。图4(a)表示风轮的阻力系数的变化,在0.5 s后呈明显的周期性变化;图4(b)表示风轮的升力系数变化,在0.6 s后呈明显的周期性变化。因此0.6 s以后流场已经充分发展,声场部分的计算是在流场充分发展之后进行的。

(a)阻力系数

(b)升力系数

图4 阻力系数和升力系数

如图5(a)为风轮叶片表面静压力等压线分布。从叶片的前缘到后缘压力先减小再增大,并且前缘的等压线相对比较密集,压力变化相对较大,压力梯度大。造成这种现象的原因是:空气流经前缘时空气发生分离,形成了复杂的分离流和涡流,它们再次附着在叶片前缘的表面,形成了压力差,进而产生脉动压力。通过在风轮附近设置压力监测点,观察风轮转动时叶片引起的脉动压力变化,图5(b)表示的是所设置的4个压力点的压力变化值,其压力成明显的周期性变化,并且每当一个叶片经过监测点时该点的压力值就有明显的变化,如点(0,900,0)有5个叶片经过此点,因此其压力值就有5个明显变化的峰值。

(a)叶片等压线分布 (b)脉动压力变化

图5 叶片表面等压线和脉动压力

3.2 声场的计算及分析

以充分发展之后的流场为基础监测出风轮转动一周期脉动压力的频域变化,然后通过FFT转化为时域响应。图6(a)是检测点(0,900,0)经过FFT转化的频域响应,在此噪声时域响应频谱中包括低频噪声和高频噪声。从其噪声频谱分布规律分析得出其噪声单点最大值出现在低频阶段,在2500Hz之后噪声频谱没有明显的波动,图6(b)是低频阶段的噪声频谱变化规律,在这个频率段内噪声频谱的值有明显的变化规律,每隔大约34.1Hz就会出现一个峰值。

(a)点(0,900,0)全频声压级变化 (b)低频声压级变化

图6 声压级变化

BPF公式:

式中 n——转速,r/min

Z——风轮的叶片个数

i——谐波序号,i=1,2,3,…

当i=1时,其基频为34.1Hz,在图6(b)的34.1Hz附近出现的一个峰值,仿真结果很好的符合了BPF公式。旋转噪声和涡流噪声共同组成小型垂直轴风力机的气动噪声,其中风力机的旋转噪声与风轮的角速度相关且频谱是离散分布的,涡流噪声与涡流的脱落相关且频谱是连续分布的。从图6分析得出风力机的旋转噪声主要集中在低频阶段,涡流噪声分布的频率更为广泛,虽然其单点的声压级低于旋转噪声,但其声能量在整个噪声中占据绝大部分,因此涡流噪声是影响环境的主要噪声。

从图7可见,随着离风轮中心距离的增加,检测点的声压级降低,在34.1Hz的倍数附近也会出现峰值,但是距离越远在高频阶段峰值就越不明显。

图7 声压级变化比较

以距离风轮旋转中心900,1100,1500mm为半径分别做圆,并在每个圆上每隔30°取1个监测点,3个圆周上有36个点,见图8。测出每个点的声压级,同一半径上不同角度的测量值各不相同,不同半径上的测量值变化规律相似,同一半径上在150°时监测点的声压级最高,在270°时监测点的声压级最低,且这2点的差值为7dB,在0°~180°所有点的声压级比180°~360°所有点的声压级要大。从图可以得出小型垂直轴风力机的气动噪声在垂直于叶轮的水平面内具有指向性。

图8 垂直轴风力机噪声指向性

4 试验验证

以文献[12~17]中H型小型垂直轴风力机的风洞试验数据为根据对所建立的模型正确性进行验证。文献中风轮参数:叶片个数为3,风轮高度为536mm,风轮直径为530mm;工作工况为:叶尖速比为3,风速为6.6m/s,转速为718r/min。建立文献中风轮结构,利用论文分析方法对文献[12]中风力机结构进行气动噪声仿真分析,图9为数值计算结果与风洞试验结果对比,在20Hz之后试验声压级频谱与仿真声压级频谱变化趋势相同,都在35.7Hz的倍数出现峰值(BPF=35.7Hz)且在基频处的声压级最大,但数值计算的最大声压级略小于试验的最大声压级,这是由于数值计算是在一个自由空间,试验却有地面、支架等干扰。综上所述,此方法对预测小型垂直轴风力发电机的气动噪声是可行的。

图9 风洞试验与数值计算对比

5 结论

(1)通过对翼型为NACA0015小型垂直轴风力机气动噪声进行分析,得出旋转叶轮噪声主要原因是叶片的表面与气流的共同作用时所产生脉动压力而造成的偶极子声源。

(2)通过瞬态流场的分析,基于FW-H方程实现了风轮叶片表面的偶极子声源的模拟,对声压级频谱进行分析,得出离散的旋转噪声和连续的涡流噪声是偶极子声源的主要组成部分。在叶尖速比为λ=3,风速为v=10m/s的工况时近场区域声压级较大的是旋转噪声,但其噪声的主要组成成分是涡流噪声。通过试验对比,验证了所建模型的正确性。

(3)小型垂直轴风力气动噪声主要是由叶片上涡流的脱落造成流场中脉动压力的变化引起的,因此减小小型垂直轴风力机的涡流噪声能降低风力机的总体噪声,进而为其低噪声优化提供了依据。

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