非定常运动风电叶片的噪声机理研究及声源相关性耦合分析

低噪声风电叶片优化设计方法应建立在对气动噪声机理的清晰认识上，尤其是关于来流导致的叶片攻角非定常快速变化、大柔性叶片的挥舞摆阵非定常运动等对叶片辐射噪声的影响机理方面仍缺乏可靠的理论依据。目前风电叶片噪声模型的声源项线性无关假设中，忽略了声源之间的相互影响，无法深入理解声源作用机理及准确预测噪声。本研究拟采用适于复杂运动边界的涡方法建立运动二维翼型的噪声预测模型，研究翼型的俯仰（模拟由于来流导致的叶片攻角快速连续非定常变化）和浮沉（模拟叶片的摆阵）非定常运动对叶片自身噪声的影响机理，以及来流湍流噪声和运动叶片自身噪声的各种声源之间的相互影响，探索新的降噪方法和措施。希望澄清非定常运动风电叶片的噪声机理以及声源相关性耦合特征，其目的是为风电叶片的降噪方法研究提供理论支撑。

本项目按计划完成了项目研究内容，建立并验证了运动二维翼型噪声预测模型的准确性；通过研究均匀来流和湍流来流条件下翼型的俯仰/浮沉运动对非定常流动和声场的作用，发现均匀来流时，翼型的俯仰/浮沉运动频率决定了翼型的尾迹涡结构和声辐射频率，较高频率的翼型俯仰/浮沉运动产生的辐射噪声强度也较大。翼型固定不动时，翼型表面非定常载荷产生的偶极子噪声源是翼型的主要声源，然而当翼型进行俯仰/浮沉运动时，由翼型非定常运动产生的单极子声源的作用明显增强，辐射噪声大于固定翼型噪声水平。由于攻角和振幅主要影响表面非定常载荷引起的偶极子声源，因此在翼型的俯仰/浮沉运动过程中攻角和振幅对声场的影响不明显，起主要作用的是俯仰/浮沉运动频率。因此当风力机发生高频率的来流阵风变化和摆阵运动时，噪声会明显增加，并且声源特性由静止叶片的偶极子声源主导转变为单极子声源主导。来流湍流不仅影响翼型气动参数的频率，影响流场的涡量分布，对其升阻力系数的值也有影响。对于声场来说，来流湍流不影响辐射噪声的主要传播方向，而使得声压最大值有所减小，但声场的主要声源还是由于俯仰/浮沉运动产生的，而不是来流湍流产生的，因此湍流来流噪声仍不是主要声源。通过对涡诱导振动翼型的非定常流场的研究发现，在不考虑叶片扭转的情况下，翼型双自由度涡诱导振动是一个自限过程，振动幅值随着阻尼因子的减小而增大，并且最终其幅值趋于一个有限值。涡诱导振动使得升、阻力系数均方根迅速增大，远大于同样雷诺数和攻角的静止翼型，这意味着风电叶片一旦发生尾涡诱导自激振动现象，其噪声水平会明显增加。另外，通过风场现场声源定位实验研究验证了叶片的主要声源为叶片自身产生的尾缘噪声，而不是来流湍流噪声，声源位置主要位于靠近叶尖的75%-95%区域，叶片噪声源随着频率的增加向叶尖移动。通过本项目的研究，明确了叶片的主要声源特性和位置，以及叶片的非定常运动对声场的作用，为进一步的叶片降噪研究提供了一定的理论基础。