本發(fā)明涉及一種風(fēng)機(jī)噪聲預(yù)測(cè)方法，具體地說(shuō)是一種用于風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源之一，極具大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展的前景，因而，風(fēng)能的開發(fā)利用已受到世界各國(guó)的高度重視。隨著風(fēng)能的全球普遍發(fā)展，用以產(chǎn)生風(fēng)能的風(fēng)機(jī)可能會(huì)接近于人口密集區(qū)域，因而風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲問題已成為風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)人員和制造商所面臨的挑戰(zhàn)。因此，快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲是一個(gè)重要課題，這可以為風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造提供可靠的數(shù)據(jù)支持，從而有助于風(fēng)機(jī)降噪技術(shù)的研究。

風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲機(jī)理主要分為兩大類：1)湍流入流噪聲，它是風(fēng)機(jī)葉片和吹向它的湍流相互作用產(chǎn)生的；2)風(fēng)機(jī)葉片翼型自激勵(lì)產(chǎn)生的噪聲，它是由葉片翼型邊界層和近尾跡內(nèi)的氣流和翼型本身作用產(chǎn)生的，這些噪聲主要源自翼型的后緣，主要包括：a)湍流邊界層后緣噪聲；b)氣流分離失速產(chǎn)生的噪聲；c)層流邊界層渦脫落產(chǎn)生的噪聲；d)葉尖渦形成產(chǎn)生的噪聲；e)后緣鈍厚度導(dǎo)致渦脫落產(chǎn)生的噪聲。

針對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生噪聲機(jī)理，brooks，pope及marcolini給出了反映風(fēng)機(jī)葉片翼型自激勵(lì)噪聲的五種半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述，這些關(guān)系是基于naca0012翼型的二維風(fēng)洞測(cè)量數(shù)據(jù)得到的葉尖渦形成噪聲除外)。在模型中，將二維計(jì)算結(jié)果作為輸入，lowson和fiddes研究了模型中所用到的邊界層后度。wagner等人利用渦格子方法計(jì)算整個(gè)流場(chǎng)，運(yùn)用xfoil程序計(jì)算當(dāng)?shù)氐倪吔鐚訁?shù)。patrickj.moriarty等人研究一種改進(jìn)的半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法，并用于風(fēng)機(jī)的噪聲預(yù)估。

基于噪聲產(chǎn)生機(jī)理，wei-junzhu等人研究了半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，特別是在翼尖區(qū)域采用了一種新的翼尖修正技術(shù)，從而更好地提高預(yù)測(cè)翼尖渦形成噪聲的準(zhǔn)確性。隨著計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展，以及計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)的研究，文獻(xiàn)采用求解n-s方程和聲傳播方程的混合方法，用于數(shù)值模擬風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲，這種方法的計(jì)算成本非常大，目前，它還不能用于低噪聲風(fēng)機(jī)的快速設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠有效預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的用于風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的用于風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：

步驟1)：將風(fēng)機(jī)葉片沿著展向非均勻地劃分出多個(gè)葉素；

步驟2)：將翼型產(chǎn)生噪聲的五種模型應(yīng)用到每個(gè)葉素上，計(jì)算每個(gè)葉素上各種聲源產(chǎn)生的聲壓級(jí)；

步驟3)：在每個(gè)葉素上運(yùn)用葉素—?jiǎng)恿糠椒ㄇ蟮孟鄬?duì)速度和當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)；

步驟4)：通過xfoil程序計(jì)算得到邊界層參數(shù)；

步驟5)：將各葉素上的噪聲源進(jìn)行疊加，從而得到整個(gè)風(fēng)機(jī)的聲壓級(jí)或聲功率級(jí)。

所述步驟2)中，翼型的噪聲計(jì)算方法包括：

步驟21)：計(jì)算出湍流邊界層后緣噪聲；

步驟22)：計(jì)算出氣流分離失速產(chǎn)生的噪聲；

步驟23)：計(jì)算出層流邊界層渦脫落產(chǎn)生的噪聲；

步驟24)：計(jì)算出葉尖渦形成產(chǎn)生的噪聲；

步驟25)：計(jì)算出后緣鈍厚度導(dǎo)致渦脫落產(chǎn)生的噪聲。

所述步驟21)中，湍流邊界層后緣噪聲模型為

其中，

為翼型壓力面的聲壓級(jí)表達(dá)式，

為翼型吸力峰面的聲壓級(jí)表達(dá)式，δ^*表示邊界層位移厚度，分別為壓力面、吸力面的邊界層位移厚度，r為觀察者與風(fēng)力機(jī)噪聲源的距離,m為馬赫數(shù)，為低頻指向性函數(shù)，a為基于strouhal數(shù)的經(jīng)驗(yàn)形函數(shù)，st＝(fδ^*/u)為strouhal數(shù),其中，stp是基于的strouhal數(shù)，sts是基于的strouhal數(shù)，f為頻率，u為當(dāng)?shù)厮俣?，γ?.24+0.096log(z0)+0.016(logz0)²為指數(shù)率系數(shù)，長(zhǎng)度尺度的表達(dá)式為其中，z0為地表粗糙度，z為距離地面的高度，其它的3個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為：st1＝0.02m^-0.6，w1＝w1(rec)為振幅函數(shù)，re為雷諾數(shù)，c為翼型弦長(zhǎng)，rec表示以c為特征長(zhǎng)度的雷諾數(shù)(后同)，其中α為攻角；

所述步驟22)中，當(dāng)迎角較大時(shí)，邊界層發(fā)生分離后，就會(huì)產(chǎn)生這種失速后噪聲；描述氣流分離失速噪聲的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系與權(quán)利要求3類似，其模型為：

其中，b為基于strouhal數(shù)的經(jīng)驗(yàn)形函數(shù)，st2＝0.02m^-0.6，w2為振幅函數(shù)。

所述步驟23)中，層流邊界層渦脫落噪聲是由后緣渦脫落與后緣上游層流邊界層內(nèi)不穩(wěn)定波的反饋循環(huán)形成的，這種噪聲源最可能發(fā)生在翼型的壓力面，本質(zhì)上是一種諧波；層流邊界層渦脫落噪聲模型為

其中，δp為翼型壓力面的邊界層厚度，g1，g2，g3是基于strouhal數(shù)、雷諾數(shù)及迎角的經(jīng)驗(yàn)性函數(shù)，st'是基于δp的strouhal數(shù)，st'peak＝st'peak(rec)是峰值strouhal數(shù)，(rec)0＝(rec)0(α)。

所述步驟24)中，渦從鈍的后緣脫落后，就會(huì)產(chǎn)生這種噪聲，若后緣厚度與后緣邊界層厚度的尺度相差很大時(shí)，它在總的輻射噪聲中會(huì)占有很大的比例；這種噪聲源的頻率和振幅主要是由后緣的幾何形狀決定的；后緣鈍性渦脫落噪聲模型為：

其中，h為后緣厚度，為翼型壓力面和吸力面的位移厚度的平均值，ψte為后緣角，st”是基于h的strouhal數(shù)，為峰值strouhal數(shù)，g4，g5為經(jīng)驗(yàn)函數(shù)。

所述步驟25)中，葉尖處的后緣與葉尖渦相互作用會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲，這種噪聲源與其它幾種噪聲源不同，因?yàn)樗鼘?shí)質(zhì)上是三維的；產(chǎn)生這種噪聲的聲壓級(jí)是渦長(zhǎng)度的函數(shù)，它與風(fēng)機(jī)葉片上的展向載荷分布有關(guān)；通常葉尖噪聲小于后緣噪聲，但是，它會(huì)導(dǎo)致高頻噪聲的增強(qiáng)；葉尖渦形成的噪聲模型為：

其中，mmax＝mmax(αtip)為葉尖渦形成區(qū)域的最大馬赫數(shù)，ltip＝ltip(αtip)為后緣處葉尖渦的展向?qū)挾?；st”'是基于ltip的strouhal數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是，風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)特性可以由葉素-動(dòng)量方法確定；充分考慮到氣流的風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)，更準(zhǔn)確的計(jì)算來(lái)流風(fēng)速，為有效預(yù)測(cè)湍流入流噪聲，在每個(gè)葉片截面，單獨(dú)計(jì)算湍流強(qiáng)度和長(zhǎng)度尺度；翼型產(chǎn)生噪聲模型中的壓力面和吸力峰面的邊界層參數(shù)可以由xfoil程序計(jì)算得到，為驗(yàn)證半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行?，將模型?yīng)用于300kw風(fēng)機(jī)的噪聲預(yù)測(cè)，計(jì)算的聲功率級(jí)及總聲功率級(jí)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的聲功率級(jí)進(jìn)行比較分析，得出該方法可以有效預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明用于風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明中聲功率級(jí)的計(jì)算與測(cè)量值的對(duì)比圖；

圖3為本發(fā)明中不同風(fēng)速情況下的聲功率級(jí)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的用于風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明的用于風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：

步驟1)：將風(fēng)機(jī)葉片沿著展向非均勻地劃分出多個(gè)葉素；

步驟2)：將翼型產(chǎn)生噪聲的五種模型應(yīng)用到每個(gè)葉素上，計(jì)算每個(gè)葉素上各種聲源產(chǎn)生的聲壓級(jí)；

步驟3)：在每個(gè)葉素上運(yùn)用葉素—?jiǎng)恿糠椒ㄇ蟮孟鄬?duì)速度和當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)；

步驟4)：通過xfoil程序計(jì)算得到邊界層參數(shù)；

步驟5)：將各葉素上的噪聲源進(jìn)行疊加，從而得到整個(gè)風(fēng)機(jī)的聲壓級(jí)或聲功率級(jí)。

步驟2)中，翼型的噪聲計(jì)算方法包括：

步驟21)：計(jì)算出湍流邊界層后緣噪聲；

湍流邊界層后緣噪聲模型為

其中，

為翼型壓力面的聲壓級(jí)表達(dá)式，

為翼型吸力峰面的聲壓級(jí)表達(dá)式，δ^*表示邊界層位移厚度，分別為壓力面、吸力面的邊界層位移厚度，r為觀察者與風(fēng)力機(jī)噪聲源的距離,m為馬赫數(shù)，為低頻指向性函數(shù)，a為基于strouhal數(shù)的經(jīng)驗(yàn)形函數(shù)，st＝(fδ^*/u)為strouhal數(shù),其中，stp是基于的strouhal數(shù)，sts是基于的strouhal數(shù)，f為頻率，u為當(dāng)?shù)厮俣龋茫?.24+0.096log(z0)+0.016(logz0)²為指數(shù)率系數(shù)，長(zhǎng)度尺度的表達(dá)式為其中，z0為地表粗糙度，z為距離地面的高度，其它的3個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為：st1＝0.02m^-0.6，w1＝w1(rec)為振幅函數(shù)，re為雷諾數(shù)，c為翼型弦長(zhǎng)，rec表示以c為特征長(zhǎng)度的雷諾數(shù)(后同)，其中α為攻角。

步驟22)：計(jì)算出氣流分離失速產(chǎn)生的噪聲；當(dāng)迎角較大時(shí)，邊界層發(fā)生分離后，就會(huì)產(chǎn)生這種失速后噪聲；描述氣流分離失速噪聲的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系與權(quán)利要求3類似，其模型為：

其中，b為基于strouhal數(shù)的經(jīng)驗(yàn)形函數(shù)，st2＝0.02m^-0.6，w2為振幅函數(shù)。

步驟23)：計(jì)算出層流邊界層渦脫落產(chǎn)生的噪聲；

層流邊界層渦脫落噪聲是由后緣渦脫落與后緣上游層流邊界層內(nèi)不穩(wěn)定波的反饋循環(huán)形成的，這種噪聲源最可能發(fā)生在翼型的壓力面，本質(zhì)上是一種諧波；層流邊界層渦脫落噪聲模型為

其中，δp為翼型壓力面的邊界層厚度，g1，g2，g3是基于strouhal數(shù)、雷諾數(shù)及迎角的經(jīng)驗(yàn)性函數(shù)，st'是基于δp的strouhal數(shù)，st'peak＝st'peak(rec)是峰值strouhal數(shù)，(rec)0＝(rec)0(α)。

步驟24)：計(jì)算出葉尖渦形成產(chǎn)生的噪聲；

渦從鈍的后緣脫落后，就會(huì)產(chǎn)生這種噪聲，若后緣厚度與后緣邊界層厚度的尺度相差很大時(shí)，它在總的輻射噪聲中會(huì)占有很大的比例；這種噪聲源的頻率和振幅主要是由后緣的幾何形狀決定的；后緣鈍性渦脫落噪聲模型為：

其中，h為后緣厚度，為翼型壓力面和吸力面的位移厚度的平均值，ψte為后緣角，st”是基于h的strouhal數(shù)，為峰值strouhal數(shù)，g4，g5為經(jīng)驗(yàn)函數(shù)。

步驟25)：計(jì)算出后緣鈍厚度導(dǎo)致渦脫落產(chǎn)生的噪聲。

葉尖處的后緣與葉尖渦相互作用會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲，這種噪聲源與其它幾種噪聲源不同，因?yàn)樗鼘?shí)質(zhì)上是三維的；產(chǎn)生這種噪聲的聲壓級(jí)是渦長(zhǎng)度的函數(shù)，它與風(fēng)機(jī)葉片上的展向載荷分布有關(guān)；通常葉尖噪聲小于后緣噪聲，但是，它會(huì)導(dǎo)致高頻噪聲的增強(qiáng)；葉尖渦形成的噪聲模型為：

其中，mmax＝mmax(αtip)為葉尖渦形成區(qū)域的最大馬赫數(shù)，ltip＝ltip(αtip)為后緣處葉尖渦的展向?qū)挾龋籹t”'是基于ltip的strouhal數(shù)下面結(jié)合具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明的效果作如下驗(yàn)證：

根據(jù)圖1所示流程圖，采用數(shù)值模擬的方法能夠計(jì)算得到整個(gè)風(fēng)機(jī)的聲壓級(jí)或聲功率級(jí)。

以3葉片，上風(fēng)失速控制的bonus300kw風(fēng)機(jī)為例，運(yùn)用噪聲模型計(jì)算該風(fēng)機(jī)的聲壓級(jí)或聲功率級(jí)，所得計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，以檢驗(yàn)風(fēng)機(jī)噪聲預(yù)測(cè)模型的有效性。

首先，驗(yàn)證本發(fā)明預(yù)估噪聲模型的基本特性，圖2給出了葉片翼型采用naca0012和naca63212翼型計(jì)算得到的噪聲譜，風(fēng)速為8米/秒，觀測(cè)者位于風(fēng)機(jī)下風(fēng)方向40米的地面，由圖2可知，計(jì)算結(jié)果能與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致，噪聲模型能捕捉到聲功率級(jí)的基本特點(diǎn)。表1給出了總聲功率級(jí)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的總聲功率級(jí)的對(duì)比，由表1可知，預(yù)測(cè)的總聲功率級(jí)與測(cè)量結(jié)果相差不超過2db，與測(cè)量結(jié)果相比，誤差不超過1％。

表1，兩種翼型下，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比

圖3給出了不同風(fēng)速情況下計(jì)算得到的不同頻率所對(duì)應(yīng)的聲功率級(jí)，可清楚地看到它隨頻率的變化關(guān)系。表2給出了風(fēng)速4m/s～10m/s情況下計(jì)算得到的a-加權(quán)的總聲功率級(jí)和總聲壓級(jí)，由表2可知，噪聲是隨著風(fēng)速的增加而增大的，這種變化關(guān)系和實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果一致。

表2，不同風(fēng)速下，總聲功率級(jí)和總聲壓級(jí)的數(shù)據(jù)

綜合上述指標(biāo)，可知本發(fā)明提出的風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)方法具有可行性及有效性，從而為研究大型風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲提供技術(shù)支持。