偏航对风力机尾迹流场及气动噪声影响研究

摘要

自然界的风随机性较强，剪切风、侧偏风、阵风等复杂情况都会出现，且变化无法预知，这些情况的出现都会影响风力机的出力情况及使用寿命，且风力机气动噪声对人类和自然环境的影响也不容忽略。因此，应该关注偏航情况下风力机的出力情况及气动噪声情况。
　　以直径1.4m、翼型为 NACA4415的水平轴风力机为研究对象，基于数值模拟计算，利用IDDES湍流模块结合声学FW-H方程的方法对偏航状态下水平轴风力机的流场及声场特性进行研究，得到风轮及近尾迹的流动与声辐射的部分规律，为风力机偏航情况下的气动特性及气动噪声的计算及试验提供了一定的研究基础。
　　模拟结果表明：随着偏航角的增大，压力面的最大压力区域逐渐减小，吸力面每层负压区域逐渐减小，叶尖区域压强差逐渐减小，引起风轮做功能力减弱，升力系数减小，最终导致扭矩减小，风轮输出功率下降：额定工况下，不偏航情况下，风力机输出功率为205.51W，偏航角为30°时功率下降了31％；风轮尾迹流场的偏斜角度增加，导致轴向速度相差越来越大：在径向位置0.2R～0.3R及0.9R～R处，轴向速度增加明显，在0.3R～0.9R处，轴向速度增加趋缓；风力机尾迹流场中存在叶尖涡和中心涡，叶尖涡和中心涡远离风轮旋转平面并向下游进行扩散，涡量的幅值逐渐减小，并渐渐消失。
　　切向扰动决定涡，法向扰动决定声，两者在气体运动过程中的能量转换及相互作用形成涡、声干扰。以风力机流场的研究为基础，进一步分析偏航状态下气动噪声的情况：对风力机声源进行分析，得到声压脉动时均值在靠近叶尖部位相对较大，其较大值的区域随偏航角的增大减小；不同偏航角的噪声的能量都主要集中在400Hz以下的低频段，4个偏航角基频对应的总声压级分别为109.67dB、109.42dB、109.02dB、108.45dB；不同偏航角下声辐射在垂直风轮旋转面方向距离轴线越近的声压级越高，随轴向距离的增加声压级逐渐衰减；在垂直于入口面方向声压级在距离声源面远的一侧随偏航角的增加逐渐降低，距离声源面近的一侧随偏航角的增加逐渐升高；在xoy平面内与xoz平面内不同偏航角仍在叶尖处声压级最大，中心轴上声压级最小，随偏航角的增大，相应位置上的声压级有所减小。
　　通过L24（41×61）混合正交进行直观分析和交互作用的分析，得到偏航角与转速共同作用对输出功率和气动噪声的影响大于其单独作用时的影响。为风力机在使用过程中能达到高性能，低噪声提供依据，也为风力机设计提供参考。

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第一章.绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.3研究的主要内容

第二章.基本理论

2.1偏航定义

2.2风力机空气动力学相关理论

2.3气动声学理论

2.4计算流体力学相关概念

第三章.数理模型和计算方法

3.1风力机的数理建模

3.2划分网格

3.3设定边界条件

3.4选择湍流模型

第四章.偏航时风力机尾迹流场及气动噪声数值模拟

4.1偏航时风力机尾迹流场模拟

4.2偏航时风力机气动噪声数值模拟

第五章.结论和展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果