风轮声源及其动态应变相关性实验研究

在直流低速风洞中,应用BK公司的60通道圆形声阵列、丹麦BK公司PULSE结构振动测试分析系统及应力应变动态旋转遥测技术,针对直径1.4 m的某S翼型水平轴风力机风轮模型开展实验得出不同工况下,噪声总声压级分布特征以及噪声源位置分布规律及沿翼展方向上应变幅值的变化规律。实验结果表明:风轮旋转时,噪声源能量最大区域主要集中在叶片中部(r/R=0.54),且不会随风速和尖速比的改变而改变最大噪声源位置;噪声源能量最大区域主要发生在叶片振幅最大区域处;应变最大幅值区域主要集中在叶片中部(r/R=0.51处),最大幅值区域不随风速和尖速比的改变而改变。利用SPSS统计分析软件,对噪声声压级和应变幅值做沿叶片展向方向上的互相关分析得到,在0.17R~0.74R区域内,相关系数大于0.8呈高度相关,0.85R区域附近的相关系数为0.782,呈中度相关。     

实度对低风速风电机组风轮气动性能影响研究

为提高低风速地区的风能利用率,研究风轮实度对低风速风电机组气动性能的影响。考虑影响风轮实度因素（叶片数量、弦长及安装角）,设计2组不同弦长叶片与可调安装角轮毂。安装角改变时不仅会引起实度变化,还会使叶尖速比发生改变。通过车载试验验证安装角不同时对风轮气动性能的影响主要与叶尖速比相关。根据不同风轮表面压力分布数值模拟结果得出：相同风速下,弦长由叶根到叶尖逐渐增大的叶片更易启动。相同条件下,试验机组输出功率与数值模拟机组输出功率最大相差5.37%,说明数值模拟结果可信。随着风轮实度的增加,风速5 m/s时,其风能利用系数呈增大趋势,风速8 m/s时,其风能利用系数呈减小趋势,两趋势相交时实度为25.38%,得出该实度下风轮气动性能较优,即可得到适合低风速地区的风轮实度。     

水平轴风力机风轮子午面流场结构的实验研究

利用线式互相关PIV系统,采用轴编码器定位周期采样技术,在不同尖速比下对旋转水平轴风力机风轮不同子午面下游流场结构进行测量.分析得到不同条件下的瞬时图、时均图,重点对叶尖涡诱导效应区进行研究.实验结果表明:在风轮下游尾迹中可清晰看到叶轮近尾迹流场中的外部主流区、叶尖涡诱导效应区和中心尾迹区.其中风轮下游尾迹流管廓线是锥形螺旋体;叶尖涡核直径随轴向距离的增加而增大,随着测试方位角的增加,尾迹中各叶片产生的叶尖涡沿螺旋锥形廓线有序地向下游扩散流动;随着尖速比的增加,内部中心尾迹区轴向速度亏损值逐渐增加,并且中心尾迹区的范围逐渐扩大.     

驱动热泵的垂直轴风力机风轮气动特性数值分析

根据风能热泵系统的工作环境及匹配特性,针对给定供热面积的系统各参数选取方法以及垂直轴风力机风轮设计进行了探讨,在此基础上初步完成了额定功率为300 W的风轮设计,并利用二维数值模拟方法对不同叶尖速比下的性能曲线进行计算,分析得到了额定风速9.00 m/s时,驱动压缩机的最佳风轮转速为350~375r/min。结果表明,300 W垂直轴风力机的输出特性可满足风能热泵机组的工作要求,该数值分析结果可为风能供热技术的应用示范提供理论支撑。     

水平轴风力机叶尖翼型截面流场的试验研究

利用线式互相关粒子图像测速(PIV)系统和轴编码器锁相技术,测量了不同尖速比下旋转水平轴风力机叶尖处的流场,获得了风轮叶尖处的瞬时速度场,并通过Tecplot软件处理得到了相应的时均速度场、速度云图及流线图.对瞬时图分析可知:在同一尖速比下,叶尖涡的出现使速度亏损值增加,风轮功率下降;在高尖速比下,流场中叶尖涡出现频率较高,有明显的旋涡结构出现,但随着尖速比的减小,叶尖涡出现的频率降低,只有形成的趋势,在尖速比λ-4的工况下,没有完整的涡出现.通过分析时均图表明:随着尖速比的增加,上游空气通过叶尖后的动能损失增大,叶尖尾迹区内的速度亏损范围增大.     

基于Wilson法风力机叶片设计及试验研究

基于MATLAB平台,采用Wilson方法设计了1台300 W水平轴风力机,通过筛选选择某S翼型进行叶片设计,并对其气动性能进行了计算。计算结果表明,S翼型风轮有效尖速比范围较宽,功率系数CP值在0.3以上的区域所对应的尖速比λ为4¹0.5,整体的功率系数变化平缓;最大推力系数CT在高尖速比时变化平稳;有效转矩系数CM为310.5,整体的功率系数变化平缓;最大推力系数CT在高尖速比时变化平稳;有效转矩系数CM为3¹2.3,S翼型叶片气动性能较好。自制风力机样机在低速风洞中进行试验,试验结果表明,在风速为412.3,S翼型叶片气动性能较好。自制风力机样机在低速风洞中进行试验,试验结果表明,在风速为4¹4 m/s时,与市场上某300 W传统翼型风力机相比,S翼型风力机功率平均提高了30.76%,尤其在风速为414 m/s时,与市场上某300 W传统翼型风力机相比,S翼型风力机功率平均提高了30.76%,尤其在风速为4⁶ m/s时,S翼型风力机功率提高较大,可以更好地利用中低风速。通过计算和试验研究可知,该S翼型适用于小型风力机叶片的设计。     

风力机近尾迹叶尖区域气动噪声变化规律的数值研究

在采用LES计算流场的基础上,提高时间分辨率,利用K-FWH方程所定义的声源积分面形成声波辐射特征,采集设计来流风速最佳攻角状态下叶轮尾迹流场的声场数据。重点研究风轮叶尖尾迹区域高幅值的频率噪声及其谐波分布和传播以及不同区域噪声相互影响的声辐射特征。计算结果表明:风轮在旋转过程中,叶轮基频声压能量在叶轮尾迹声辐射中占主导地位,而且由叶尖涡引起的涡流声辐射也较重要,基频谐波的能量耗散相对较慢,致使频谱图中峰值部位较多,但随着频率的不断增加,基频谐波的能量耗散速率也在加快。叶尖涡的运动轨迹,随着监测点远离旋转中心沿X轴正向距离的增大,具有叶尖涡影响的声压值变化特征的监测点沿径向外移并近似于线性关系。     

偏航流动对水平轴风力机声辐射影响研究

风力机处于复杂多变的自然风条件下,经常处于偏航状态。文章运用分离涡方法(DES)寻找偏航流动对水平轴风力机声辐射的影响。结果表明:随偏航角度的增加,风轮输出功率减小;垂直风轮旋转面和平行来流方向的测试线上,总声压级都随着远离风轮旋转面逐渐衰减,且随着偏航角的增大,平行来流方向测试线上的声压级降低较快;在不偏航流动下平行于风轮旋转面的声压级,沿旋转方向基本相同,在偏航流动下,随偏航角度的增大而降低;平行于入口面上距离声源面近的一侧声压级较大,且随偏航角的增加逐渐升高;叶尖处声压级最大,中心轴上最小。DES方法用于风力机声辐射的模拟研究是可行的,对风力机气动噪声研究具有一定的参考价值。     

垂直轴螺旋式风力叶轮的动态特性研究

采用风力叶轮直接驱动盘式发电机的方式,针对一种垂直轴螺旋式风力叶轮进行旋转状态下的动态特性试验研究,分别在自然风条件下和拖车试验条件下(来流速度为1～12 m/s),对试验装置的空载转速、空载电压进行测定,并对叶尖速比进行统计分析。研究结果表明:在自然风条件下,风速波动大,导致瞬态采集的风速与风轮转速不对应;在拖车试验条件下,来流速度相对稳定,且较易控制,风速与输出电压的对应关系较为明显。研究结果为相应的控制系统的设计与优化提供了参考。     

相同叶尖速比不同转速的垂直轴风力机气动性能分析

在不考虑连杆、转轴及叶尖损失的简化模型基础上,利用Fluent软件采用雷诺平均Navier-Stokes方程与k-ωSST湍流模型对直叶片垂直轴风力机进行了数值模拟.对比了相同叶尖速比λ=4,叶轮半径r分别为1 m和2 m的垂直轴风力机的气动性能.结果表明,在来流风速V∞和叶尖速比λ相同的情况下,不同半径的垂直轴风力机具有十分相似的翼型表面压力分布,对应位置处的升、阻力系数相差不大.     

Localization of wind turbine noise using a microphone array in wind tunnel measurements

An experimental investigation on scaled wind turbine models in a wind tunnel with a microphone array is presented. Our study focuses on the localization and quantification of aerodynamic noise sources on rotating wind turbine blades with the aim of identifying the contributing factors that have an impact on the source spectra. Therefore, wind tunnel measurements were conducted for three different blade geometries (NACA 4412 shape, Clark-Y shape, and sickle shape), five pitch angles between ?2° and +8° and five wind velocities between 5 and 13 ms^??1. For the localization of rotating sound sources with a microphone array, a rotating beamforming method based on the acoustic ray method is used. The Clean-SC deconvolution method was used to improve the resolution of the acoustic sources, and integrated spectra were calculated for the individual blades. The sound sources were localized at the wind turbine blades and assigned to the leading edge and trailing edge subregions. The results show a high dependency on the sound source distribution and the source strength with regard to the observed one-third octave bands, wind velocity, and blade geometry. Hence, the localization of rotating sound sources with a microphone array is a suitable method for the development of wind turbine blades that emit less noise.     

基于时域积分的水平轴风力机风轮噪声预测理论及应用

给出了考虑水平轴风力机风轮厚度噪声与负荷噪声的延迟时形式的时域积分解及其噪声预测理论。基于Ffowcs Willians-Hawkings声学方程，减少了偏导数项的求解，提高了计算速度，避免了声学计算中的奇异性问题。对小型水平轴风力机FD2-300在3个方向的辐射噪声进行了预测，得到了声场各种源成分的噪声的分布与指向性规律。计算结果表明：在风轮的旋转平面，具有最大的总噪声级的指向性，负荷噪声在旋转平面以及风力机下游起着主导作用。对于600kW大型水平轴风力机进行了局部区域的噪声现场测量，并且与预测值进行了对比。结果表明：模型的预测结果与测试数据比较符合，且变化趋势一致，在整个测量区域，预测值比测量值低，这是由于计算模型只考虑到风力机叶片的负荷噪声与厚度噪声，对于实际运行的风力机来说，其辐射的总噪声除了与叶片的负荷、厚度有关，还与非定常来流、叶片本身的非定常性和气流粘性有关。若以该文建立的模型进一步考虑风力机的非定常性和粘性效应，将提高其预测准确性，在风力机整体优化设计以及噪声控制方面提供理论指导。     

Wind turbine power and sound in relation to atmospheric stability

Atmospheric stability cannot, with respect to modern, tall wind turbines, be viewed as a ‘small perturbation to a basic neutral state’. This can be demonstrated by comparison of measured wind velocity at the height of the rotor with the wind velocity expected in a neutral or ‘standard’ atmosphere. Atmospheric stability has a significant effect on wind shear and increases the power production substantially relative to a neutral atmosphere. This conclusion from Dutch data is corroborated by other published wind shear data from the temperate climate zone. The increase in wind shear due to atmospheric stability also has a significant effect on the sound emission, causing it to be substantially higher than predicted from near‐ground wind velocity and a neutral atmosphere, resulting in a higher noise impact on neighbouring residences. Several measures are proposed to mitigate the noise impact. To reduce noise levels, the rotational speed can be controlled with the near‐ground wind speed or sound level as the control input. To reduce the fluctuation in the sound (‘blade thumping’), it is suggested to adjust the blade pitch angle of the rotating blades continuously. To prevent stronger fluctuations at night due to the coincidence of thumps from several turbines, it is suggested to add random variations in pitch angle, mimicking the effect of large‐scale turbulent fluctuations in daytime. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

带脊状结构风力机翼型的噪声特性研究

采用大涡模拟和声类比的方法,以NACA0018翼型为研究对象,研究脊状结构对翼型远场噪声的影响。分别模拟来流速度为12和24 m/s,在6°攻角下布置脊状结构的翼型流场,对应的基于弦长雷诺数约为8.0×10⁴和1.6×10⁵。通过FW-H方程计算大涡模拟提取的声源项,得到Riblet-Q和Riblet-H翼型的流场和声场。非定常流场计算结果表明:6°攻角下Riblet-H翼型能够改善翼型边界层分离情况,抑制涡结构脱落,从而减小翼型表面压力脉动和接收点处声压波动,同时能提高翼型的气动性能。逆压梯度段脊状结构可有效减小频率在0~3000 Hz内的噪声。进一步研究表明,该状态下的噪声主要由边界层引起的涡脱落噪声主导。     

偏航速度对风力机功率及叶片应力的影响研究

通过实验测试,以动态旋转平台模拟风力机风向变化及偏航对风,研究不同偏航速度及偏航延时时间对风力机叶片应力及功率的影响。结果表明：动态偏航对风过程中,应力值基本呈由前缘向后缘、叶根向叶尖递减的趋势,在叶展方向0.67R及0.75R处,叶根弦向方向0.25c及0.50c处出现应力集中现象,偏航延时时间的加入可有效抑制叶片应力波动,过慢的偏航速度会导致功率曲线出现较大波动。引入一无量纲系数,该系数为风力机功率及叶片应力的比值,通过分析得知在仅考虑风力机叶片应力及功率时,风力机最佳偏航速度为0.5°/s。     

摩托车加速噪声自动测试系统的实现及通过噪声特性分析

摩托车加速噪声自动测试系统是先进的车辆通过噪声测试手段,实现了对加速噪声相关数据准确完善地测量、存储及分析。本文经过大量分析加速噪声测试过程试验数据,确定发动机转速是影响摩托车噪声的最重要因素。通过建立加速噪声声学模型,深入分析加速噪声测试时传声器测点声压级变化规律,明确了确定加速噪声最大声压级对应车辆工况的方法及意义。     

基于ARMA模型的变压器噪声逆向还原实验研究

基于声辐射理论和激光测振原理，通过实验测量干式变压器模型的表面振速和辐射噪声声压，分别采用表面振速法和频响函数法求得变压器的声辐射指数。在此基础上，采用自回归滑动平均（ARMA）模型开展变压器噪声逆向还原研究，获取声压与声压级预测值，并与实验值进行对比。结果表明：采用频响函数法得到的声辐射指数比采用表面振速法得到的约大1.0 ～ 1.5 dB；采用基于ARMA模型的噪声预测算法得到的声压与实验得到的声压约相差0.015 Pa，声压级约相差1 dB；利用基于ARMA模型的预测算法和激光测振原理进行噪声逆向还原具有较好的可行性，且可推广应用于其他结构辐射噪声的预测。     

基于塔筒添加螺旋线的风力机降噪性能优化研究

为降低风力机对周围居民的噪声污染,提出一种用于分布式风力机的塔架表面缠绕螺旋线的降噪方案。以S2030翼型风力机为计算模型,以螺旋线高度、螺距、螺头数、覆盖范围及旋向为因素,近尾迹辐射噪声总声压级为评价指标进行正交试验,在额定工况下利用ANSYS Fluent数值模拟平台LES/FWH方法进行数值计算。结果表明：螺旋线高度h为5.5 mm、螺距P/d为0.5、螺头数N为4、覆盖面积为全部、旋向为逆时针时为最优组合。各因素对总声压级影响的程度由大到小为螺距>高度>覆盖范围>螺头数>旋向。塔架缠绕螺旋线能有效降低200~2000 Hz中高频噪声声压级。降噪效果随轴向距离的增大而增大,最高可降低总声压级13.19 dB（A）。     

联合循环发电机组的噪声测量与噪声源识别

通过对350Mw燃气-蒸汽联合循环发电机组厂房内各个机岛以及辅助设备的现场噪声测量,分析了厂房内的主要噪声源及其频谱特征。根据测量结果计算了各个机岛噪声的声功率和厂房内工作面的声压分布,验证表明计算结果与实测结果吻合较好。根据主要噪声源的频谱特性探讨了降低厂房噪声声压的吸声隔声措施。     

基于互谱成像函数波束形成的发动机噪声源识别

基于球面波模型互谱成像函数波束形成理论,开发了相应的近场声源识别软件。对已知声源位置和强度的单极子声源、相干偶极子声源的模拟计算结果表明:该方法有效补偿了球面波传播的幅值衰减量,能够实现声源的精准定位及强度的准确计算。某柴油机全负荷标定转速工况下的声源识别试验结果表明:正时齿轮罩壳、缸体与变速箱交界位置及发电机是其主要噪声源。