锯齿尾缘风力机叶片气动及噪声性能研究

为理解锯齿尾缘风力机的气动噪声原理和气动性能,以NREL Phase VI风力机的锯齿尾缘仿生叶片为研究对象,在7 m/s风速工况下,采用分离涡和FW-H方程模拟相结合的方法进行仿真,获得并对比5个叶片展向位置的压力系数和声信号声压指向性。研究表明,在叶片吸力面靠近叶尖的尾缘区域,风力机原型相比于锯齿型出现了明显的分离现象;锯齿型叶片声压级在前缘处较大,尾缘处次之;锯齿结构改变了壁面分离模式,使流场得到改善,降低了风力机噪声的声压级,提高了叶片的气动性能,同时也说明了风力机叶片前缘与尾缘是噪声集中产生的位置。研究结果能够为风力机降噪提供重要的理论依据。     

非对称锯齿结构对叶片气动声学性能的影响

为降低水平轴风力机叶片的气动噪声,受鸮类静音飞行能力的启发,提取鸮类翅膀羽毛的非对称锯齿结构,并重构于风力机叶片尾缘处。采用大涡模拟（LES）和FW-H方程对改型叶片和原型叶片的流场及声场特性分别进行研究。同时通过改变非对称锯齿尾缘的结构参数,以探究不同锯齿夹角、锯齿宽度和锯齿间距对非对称锯齿尾缘的降噪效果的影响。结果显示：非对称锯齿尾缘具有较好的降噪效果,尤其是在低频和中频区域,总声压级最多可降低10 dB。当锯齿夹角分别为30°、40°和50°时,随着锯齿夹角的增加,噪声声压级在多数方位角下呈增加的趋势;锯齿宽度分别为10、12.5和15 mm时,随着锯齿宽度的增加,噪声声压级在多数方位角下明显降低;锯齿间距的改变,对0°方位角下的噪声声压级影响显著。而从涡分布图中可发现,非对称锯齿尾缘未改变叶片表面涡脱落的位置,但会减小涡结构和涡强度,增大涡间距,从而抑制噪声的产生。     

不同攻角下压气机叶栅涡流噪声辐射特性的研究

采用大涡模拟模型和边界元方法对压气机叶栅的非定常流场与声场进行了分析,研究了来流攻角对叶栅尾缘非定常涡脱落及其噪声辐射特性的影响.结果表明：压气机叶栅流场中存在着尾缘涡脱落现象,尾缘涡脱落的强度随着攻角的变化而变化.在较大的正攻角下,吸力面存在的分离涡与下游的尾涡相互影响,引起较大的升力脉动,使得噪声辐射增强;而在较大负攻角下,压力面的分离涡同样影响尾缘涡的脱落,噪声辐射水平也有增强趋势.来流攻角对噪声辐射的指向性影响不大.声压级的最小值出现在阻力系数最小的攻角下.     

尾缘相对齿高对仿生叶片性能影响的研究

利用Fluent软件对基于NACA0018翼型的锯齿尾缘仿生叶片在雷诺数Re=6×105下的三维流场进行了数值模拟,对比研究尾缘锯齿的相对齿高h/λ对叶片气动特性与边界层发展的影响规律。分别选取尾缘锯齿相对高度h/λ为0.5、1.0和1.5,着重分析12°攻角下尾缘锯齿相对高度对仿生叶片近尾缘的涡分布影响。研究表明:当叶片绕流流场出现大尺度分离涡结构时,尾缘锯齿将改变原NACA0018叶片表面流动结构的周期性,对叶片的气动特性产生显著的影响,随相对高度h/λ的增大,仿生叶片的气动性能越接近原始叶片;尾缘锯齿能延迟边界层分离,延迟效果随h/λ的增大而增强;锯齿尾缘能抑制边界层增厚,使叶片尾缘噪声降低。研究12°攻角下的近尾缘涡分布发现,尾缘锯齿间的压力差形成锯齿间的涡和吸力面上的反向旋转涡对,受两者共同影响,叶片近尾缘处的流场分布发生变化,进而影响气动特性。     

基于鸮翼特征的曲线形尾缘锯齿翼型气动噪声研究

受到鸮类“静音飞行”的启发,将猫头鹰羽毛特有的曲线锯齿结构应用到三角形锯齿齿边,设计曲线形尾缘锯齿翼型,探究仿生锯齿结构的降噪潜力。以NACA0018翼型为原型翼型,通过大涡模拟（LES）与FW-H声类比方程相结合的方法,分析原型翼型、仿生曲线形锯齿尾缘翼型和传统三角形锯齿尾缘翼型的气动声学特性。结果表明,仿生曲线形锯齿尾缘翼型在声指向分布的所有方位角的总声压级均有降低,相比于传统的三角形锯齿尾缘翼型,噪声值最高能降低3.77 dB。压力脉动云图和流向速度的湍流波动分布结果表明,仿生曲线形锯齿可有效抑制尾缘附近的压力脉动,显著减小齿中部的湍流波动,从而降低翼型的气动噪声。     

叶片锯齿前缘控制流动分离的数值研究

针对锯齿前缘结构调控叶片近壁面流场特性,以NACA0018叶片为对象,采用大涡模拟方法研究不同锯齿前缘结构对叶片近壁面流场的影响机制。获得了来流速度为30 m·s^-1、雷诺数为513 440、0°攻角下叶片近壁面流场分布特性。分析了锯齿前缘和叶片前缘和尾缘处压力脉动及分离涡的影响。数值结果表明：对正弦波齿而言,随着振幅的增大,在波谷处的小涡开始向前缘移动,整体上小尺度涡增多,前缘近壁面压力脉动增大,尾缘近壁面压力脉动减小;对叠加波形齿而言,尾迹涡进一步破碎,厚度变薄,叶片表面出现破碎的小尺度涡,在尾缘处叶片压力脉动幅值下降最为明显,且未出现明显的窄带尖峰。     

一种耦合仿生翼型降噪机理研究

基于NACA0018翼型,将波状前缘、锯齿尾缘和表面脊状3种仿生结构进行耦合,形成WSR翼型,并采用大涡模拟和FW-H方法研究了 WSR翼型在不同雷诺数和攻角下的流场和噪声特性.结果表明:在小攻角、低雷诺数下WSR翼型可降低噪声5 dB左右;在大攻角下,锯齿尾缘结构加剧了尾缘处流动掺混,改变了尾迹涡结构,降低了翼型尾缘处的涡量,进而使噪声降低8 dB左右.     

仿生叶片在离心风机上应用的数值分析

为了探究仿生叶片对离心风机气动性能、流场和声场的影响,将波形前缘、锯齿尾缘和表面凹坑3种仿生结构应用在离心风机叶片上,并对其流动和噪声辐射进行了数值计算.结果表明:表面凹坑结构抑制了叶片吸力面上的分离流,提升了离心风机的全压和效率,但蜗壳壁面附近的压力脉动幅值增大,最终使噪声不降反增0.85 dB;锯齿尾缘型风机虽然做功能力下降,但依然保持高效率,叶轮内流动状况改善,压力脉动明显削弱,总声压级平均下降5.04 dB;波形前缘型风机气动性能与原型相比略有提升但相差不大,整体降噪3.14 dB.     

风机叶片表面分离涡与宽频噪声辐射特性的分析

采用大涡模拟结合噪声FW-H模型,计算分析了低马赫数下风机Clark-Y叶型的流场结构、叶型表面压力脉动特征以及宽频噪声特征,并对表面压力脉动与远场声压的频谱进行了对比.结果表明:叶片表面形成的分离涡涡束与叶片表面压力波谷存在关联,每处分离涡对应着一个表面压力波谷;分离涡声源的远场声辐射能力极小,叶片的宽频噪声主要来源于来流冲击前缘点形成的压力脉动和尾缘涡脱落产生的压力脉动,前缘点的声辐射能力高于尾缘区域的声辐射能力.     

锯齿尾缘叶片对轴流风机气动噪声及性能的影响

以OB-84型动叶可调轴流风机为研究对象,采用大涡模拟和FW-H声学模型对锯齿尾缘动叶风机进行了数值模拟,探讨了不同锯齿长度的尾缘对风机气动噪声、压强脉动及性能的影响,并分析了其流场特征和降噪机理。结果表明:锯齿尾缘可明显降低风机的中低频段噪声和流道中气流的压强脉动强度,锯齿长度越大,其影响越明显;锯齿尾缘增强了尾流区的流动掺混,改变了动叶尾缘脱落涡结构,形成了2层整齐的"梳状"流向对涡,由此降低了风机的气动噪声;模型A、模型B和模型C均可以在设计流量或小流量下提高风机效率,以模型A提升最明显,但在大流量下性能均低于原风机。     

An improved prediction model of vortex shedding noise from blades of fans

The main source of the noise of an axial flow fan is the fluctuating pressure field on blade surfaces caused by the shedding of vortices at the trailing edge of blades. An analytical model to predict the vortex shedding noise generated at the trailing edge of blades of axial flow fans was proposed by Lee in 1993. In this model, for mathematical convenience, an idealized vortex street is considered. However, the agreement between the analytical results and the experimental data needs to be improved because of the simplification about the Karman vortex street in the wake of blade. In the present study, a modified model is proposed based on the prediction model by Lee. The boundary layer theory is used to analyze and calculate the boundary layer development on both the pressure and the suction sides of blades. Considering the effect of boundary layer separation on the location of noise source, the predicted overall sound pressure level compares favorably with the experimental data of an axial fan. In the calculation of A-weighted sound pressure level (L_A), considering the effect of static pressure on radiate energy, the predicted broadband noise with the modified model compares favorably with the experimental data of a multiblade centrifugal fan.     

仿生轴流风机气动噪声特性的实验研究

针对轴流风机工作时产生的气动噪声问题,运用仿生学原理对某轴流风机叶轮进行了仿生改型设计,分别得到了尾缘锯齿式单结构仿生叶轮的轴流风机和前缘波齿、尾缘锯齿及表面脊状三结构耦合仿生叶轮的轴流风机。对两类风机以及原型风机进行了气动与噪声实验,获得了风机的气动性能与辐射噪声的频谱特性。测试结果表明：两类仿生风机的全压在全流量范围内均有不同程度的下降,最高下降达27%,但尾缘锯齿风机可以提高中小流量工况下的效率,而三结构耦合仿生风机效率低于原型风机;两类仿生风机产生的辐射噪声A声级均低于原型光滑叶轮风机,且尾缘锯齿风机降噪效果优于耦合仿生风机,并且比A声级最大降噪值为1.58 dB;尾缘锯齿沿展向的分布长度越长,效率越高,降噪效果也越佳。     

风力机翼型尾缘厚度对粗糙敏感性影响的研究

综合应用涡面元和RANS方法,研究DU93-W-210、DU91-W2-250及DU97-W-300这3种常用翼型经尾缘修型后尾缘厚度对粗糙敏感性的影响.在涡面元方法中采用设置固定转捩和在RANS方法中采用设置锯齿形边界条件的方式来模拟翼型前缘污染,研究发现前缘污染造成翼型吸力峰降低,引起翼型气动性能下降,然而随着尾缘...     

前缘改形对翼型气动噪声特性影响

为得到高气动性能、低噪声的风力机专用翼型,基于参数化建模翼型,研究前缘外形对风力机翼型气动性能及气动噪声的影响规律。通过分离涡模拟方法和声学类比方程建立噪声预测方法。针对非对称翼型S809通过样条函数参数化处理前缘改形进行气动噪声计算。结果表明:翼型压力面前缘加厚,对翼型升阻力系数无明显影响,但大攻角时翼型周围压力分布均匀,流动相对稳定,且气动噪声声压级低于原始翼型,随压力面厚度增加气动噪声越大;吸力面加厚使得翼型升力系数增大,阻力系数减小,能抑制翼型失速时尾缘涡与前缘涡的生成,变形量越大气动噪声越小;翼型前缘上弯,翼型在失速区升力系数减小,阻力系数增大,流动越加不稳定,声压级随着攻角的增加呈递增趋势;翼型前缘下弯,翼型处于失速区升力系数增大,阻力系数减小,能抑制流动分离,未生成前缘涡和尾缘涡,当前缘下弯不变时,随加厚厚度增加翼型声压级呈减小趋势,且前缘下弯翼型声压级小于前缘上弯。     

Performance analysis of vertical-axis-wind-turbine blade with modified trailing edge through computational fluid dynamics

The design of turbine blades is a critical issue in the performance of vertical-axis wind-turbines (VAWTs). In a previous study, it is discovered that a loss of thrust in VAWT blades with a wave-like leading edge can be attributed primarily to vortex distribution. This finding prompted us to apply the wave-like blade design to the trailing edge rather than the leading edge. In this study, computational fluid dynamics was used to observe the flow field on straight and tubercle blades in order to predict the resulting thrust and power performance. Increasing the amplitude and wavelength of the tubercle was shown to increase the maximum thrust by as much as 2.31% and the power coefficient by 16.4%, compared to a straight blade. Furthermore, the overall and maximum thrust performance of blades with a modified trailing edge was shown to exceed those of blades with a wave-like leading edge, due to a shift in the location of the vortices by the induced flow.     

水介质中尾部锯齿结构叶片数值计算

为了验证将空气动力学中翼型部件采用的锯齿形尾部结构引入到水力机械翼型部件中的可行性,建立了NACA0012型对称型叶片的几何模型,并在此基础上建立了尾部带锯齿的NACA0012型叶片修改模型,利用数值计算方法计算了在入流速度10 m/s下带锯齿与不带锯齿的NACA0012型叶片在0°及10°攻角下的流场数据及压力脉动数据。计算结果表明,锯齿形边缘结构在攻角为10°时能有效减小叶片尾部、背水面的脱流及尾迹中的漩涡和流场中的水力振动,锯齿结构改善叶片水力性能效果显著;而攻角为0°时流场中水力振动轻微增加。由此说明,锯齿结构可起到改善水介质中翼型部件水力特性的作用。     

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.     

齿形襟翼对风力机翼型气动噪声影响的数值研究

为分析齿形襟翼（SGF）尾缘对风力机翼型气动性能及噪声特性的影响,利用SST k-ω湍流模型对装设Gurney襟翼（GF）和SGF的NACA0018翼型进行数值模拟,研究齿高和齿宽对气动性能和静压分布的影响,并采用大涡模拟（LES）对气动性能最优的SGF进行噪声预估和涡结构分析。结果表明：SGF可有效提高翼型升力系数并延迟失速;SGF-0.8-6.7模型可使最大升阻比提高8.61%,失速攻角延迟3°,其在拓宽高升力区间、延迟失速等方面具有最优性能;SGF翼型上下翼面噪声无明显差异,平均声压级随攻角增大而提高;SGF-0.8-6.7模型的尾迹噪声随攻角增大呈现先增后减的变化趋势,随距离增加而降低;翼型辐射噪声呈典型偶极子状,GF噪声小攻角下降低,而大攻角下则增大,SGF在不同攻角下均降噪显著,最大降噪量达10.2 dB;SGF尾涡稳定有序,能耗及损失降低,由此使气动性能和噪声得以明显改善。