复杂地形风电场的噪声传播计算方法及与微观选址优化的耦合

The increasing of capacity and wind turbine rotor diameter propose new requirement for wind turbine noise generation. Wind turbine noise issue includes near field aerodynamic noise mechanisms and far field noise propagation. Wind turbine noise can effect a few hundred to a few thousand meter distance, under certain wind direction, atmospheric turbulence level, temperature and humidity conditions. This project proposal is based on previous research on wind turbine noise generation, and propose a new concept of near field noise with far field propagation coupling. The aerodynamic source modeling is based on computational aeroacoustic (CAA). The results of source modeling form input to the far field noise propagation model. In a given computational domain, the Parabolic Equation (PE) model is used to compute sound pressure level at each frequency. Atmospheric turbulence and terrain effect are involved in the PE model. More over, the effect from wind turbine generated turbulence will be an important issue of study. This includes the coupling of Large Eddy Simulation (LES) with PE method. The objective of this research is to create a wind farm noise map for a given complex terrain, such that wind farm noise can be predicted and low noise wind farm optimization can be achieved.

装机容量的不断增长和叶轮直径的增大对限制风力机噪声等级提出了新的要求。风力机气动噪声可细化为近场气动噪声源机理研究和远场噪声传播研究。观测表明，在一定的大气湍流强度，湿度和温度梯度下，风力机噪声可对周边几百至几千米范围产生影响。本项目基于前期对噪声源方面的研究基础，提出气动噪声源结合远距离传播的新概念。风力机气动噪声源的数值模拟建立在计算气动声学（CAA）的基础上。声源的模拟结果将作为输入参量引入到传播模型的计算域。 采用抛物线方程（PE）的方法，在给定的计算空间，得到各个频率段的声压等级分布。大气湍流和地形条件将引入到PE方程的求解之中。此外，风力机产生的尾流效应对气动噪声传播的影响也将是研究的重点。基于大涡模拟(LES)的风力机尾流将结合大气湍流引入到噪声传播的计算中。该项目研究的主要目的是采用数值计算方法建立复杂地形风场周边噪声地图，从而达到风电场噪声预测和实现低噪声微观选址的目的。

随着各地风电场的大范围开发，基于环境噪声约束的风电场微观选址优化方法研究成为一个相对迫切的课题。四年来，通过基金委的资助，项目在学术创新、产业服务、人才培养、成果转化等方面均取得了一些成绩，科研产出的同时形成了社会和经济效益，为风电绿色健康发展起到保驾护航的作用。基金的研究工作紧密围绕既定科学问题展开。项目负责人在该方向的研究已有十多年的积累，结合国家分布式风电的新格局完成了以下工作： （1）探索了风力机组最低噪声辐射与最高功率输出之间的内在联系；（2）建立了风场的低噪设计和优化方法；（3）通过学习丹麦经验，为国家风电噪声云图的构建工作提供了一种科学的计算方法。. 项目研究周期内以一作和通讯作者共计发表SCI论文10篇，其中IF>5四篇，IF>10一篇，中文EI一篇，2017-2020年参加欧洲风能国际会议4次，录用会议论文并在大会宣讲。2017年合作出版专著《气动噪声计算方法及其应用》。2017年在组织并召开了《第一届江苏省高校风能科学研讨会》、2018年组织并召开了《第二届中丹国际风能科学研讨会》。与丹麦技术大学（DTU）长期开展合作，联合培养博士一名，推荐本校应届生两名攻读DTU硕士学位。派遣项目组曹九发访问DTU气动噪声课题组一年。2020年起开设《风力机气动噪声》海外研究生课程。. 2020年科技查新显示当前的研究在国内外均具备了一定的独创性。成果弥补了我国大型风电场气动与噪声耦合评估方法缺失的短板，在风电噪声方向缩小了与国际先进水平的差距。成果应用于东方电气、上海电气等国企央企的新产品研发，主持完成10余项国内科技合作项目。以第一发明人授权发明专利2项、实用新型专利1项、软件著作权2项，软件著作实现了1项成果转让。国际科研合作方面，2018年加入国际能源署IEA-WIND-IA-TASK-39项目，2020年起担任科技部重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项《静音风力机组关键技术》项目技术负责人。