参数对风力机气动噪声的影响研究

基于现有风力机噪声预测的半经验模型,本文数值研究了几种重要参数对风力机噪声的影响。将在该模型中加入叶尖损失修正方法,以便更好地提高叶尖区域涡脱落噪声的预测能力。运用本文发展的风力机噪声预测方法,重点讨论了风力机叶片翼型、叶尖桨距角、旋转角速度以及叶片后缘厚度等对风力机噪声的影响,分析了不同频率区域内噪声级的变化规律,以及A-加权的总声功率级、总声压级的变化,这些影响规律可为低噪声风力机设计与制造提供一定的技术参考,从而有助于风力机降噪技术的研究。     

机翼尾迹脱落涡噪声的理论研究

Ｍｉｃｈｅｌ等人１９９８年应用平面传声器阵列对飞机过顶噪声进行的测量研究首次发现，机翼尾迹脱落涡噪声是某些类型飞机重要的噪声源。为发展一种预测这种噪声源的理论预测模型，应用ｖｏｎ Ｋａｒｍａｎ涡街模型模拟二维机翼下游尾迹脱落涡，尾迹涡的强度和脱落频率应用这个模型进行计算。基于Ｈｏｗｅ后缘噪声理论，并结合尾迹模型，本文发展了一种预测脱落涡噪声声压级和指向特征的气动声学模型。对６架现代商用飞机的机翼尾迹脱落涡噪声的计算表明，本文理论模型预测的涡脱落频率、声压级以及噪声的指向性等与实验测量结果有较好的一致性。     

不同喷嘴射流流场结构及噪声

针对射流产生噪声的问题,应用Smagorinsky涡粘性模型和二阶精度的有限体积法对不同喷嘴的外部流场进行了大涡模拟,研究了不同喷嘴外部流场非定常结构特性。射流噪声计算采用FW-H(Efowcs Williams&Hawkings)方法,给出了三种喷嘴的声压级。并以Ma=0.9时直喷嘴计算和实验结果为例,分析了在有限频率段内声压级的变化规律,并与实验结果进行了比较。结果表明:在同等条件下,收缩喷管的噪声等级最大,环型喷管的噪声等级最小。     

改进的多级涡轮噪声经验预测模型

基于早期的涡轮噪声经验预测模型和涡轮噪声试验数据,对影响涡轮噪声的关键涡轮参数进行了分析,发展了改进的多级涡轮噪声经验预测模型.该模型由单级涡轮噪声计算、涡轮噪声在下游涡轮级中传播的衰减量计算和各级涡轮噪声叠加3个部分组成.采用涡轮噪声试验数据对单级涡轮噪声计算方法进行了验证.结果表明:该单级涡轮噪声计算方法的计算结果误差小于1.5dB.由试验数据拟合得到的涡轮噪声叶片排衰减经验预测模型也被应用于该改进的多级涡轮噪声经验预测模型中.与早期经验预测模型相比,改进模型的计算方法更合理,噪声预测结果更可靠.      

基于LabVIEW的噪声功率级测定系统

利用实验室虚拟仪器工程平台(LabVIEW)设计噪声功率级测定系统。采用多个驻极体电容传声器同步采集多点信号,设计电路对信号进行调理,调理后数据经由数据采集卡传输到计算机。基于采集到的数据,经由声压、声压级、声功率级层级公式对数据进行处理,计算出测量表面平均声压级和声功率级,并利用二维图实时显示分析结果。系统方法简单有效,二维图表能方便直观地显示测量结果。     

飞机噪声预测和分析

根据中国民航规章中有关飞机适航噪声审定的要求和噪声预测原理建立了飞机噪声预测系统软件。该软件除可预测飞机适航噪声审定的起飞、进场和边线有效感觉噪声级外,还可计算巡航过程机体表面声压分布。各种噪声源的声功率在软件中均可单独计算,因此改变发动机和飞机参数可以考查这些参数对声功率的影响;对发动机和飞机设计有参考价值。通过算例计算出的起飞、进场和边线有效感觉噪声级与实测结果符合较好,能很好地满足工程应用需要。     

湍流参数对风扇宽频噪声预测影响

对于现代先进涡扇发动机,占比越来越大的风扇/压气机宽频噪声成为亟需解决的问题。基于三维风扇声源模型,开展了湍流输入参数对宽频噪声预测影响的研究。结果表明:后传声功率级比前传声功率级普遍高5 dB左右;当湍流参数增大时,也会较大幅度改变前传和后传的声功率级,但对频谱形状影响较小;声功率级随湍流积分尺度增大而减小,随背景湍流速度、中心线湍流速度、湍流宽度增大而增大,其中背景湍流速度对宽频噪声影响最大。发现湍流参数通过作用于上洗速度谱来影响宽频噪声预测结果。      

二维增升装置前缘缝翼的远场噪声分析

以计算流体力学软件FLUENT工具,二维增升装置模型L1T2为基准,采用LES模型和Ffcows Williams-Hall积分方法,计算二维增升装置前缘缝翼的远场噪声。通过计算24组不同缝道参数的二维增升装置的缝翼噪声和最大升力系数,分析了气动性能与噪声强度之间的关系,并采用建立响应面的方法对缝道参数进行了优化,使原增升装置模型的噪声强度得到了降低。结果表明:当缝道参数大小适中时噪声总声压级较小,反之噪声总声压级显著增大;当缝道宽度减小而重叠量增加时,噪声总声压级持续减小。适当的缝道参数组合是能够使所设计的增升装置较好地兼顾气动性能和噪声强度要求的。     

匀速及加速行驶时带后视镜轿车气动噪声的研究

应用计算流体力学软件FLUENT对带后视镜简化直背式轿车外部流场及车外某接收点处的气动噪声进行了数值计算和分析.脉动流场计算采用大涡模拟湍流模型,动量方程的离散格式采用有限中心差分格式.分别对两种匀速运动情况和一种加速运动进行了计算,由此研究不同车速、匀速和加速运动对接收点处脉动流场和气动噪声的影响.对于匀速运动,车速越大,接收点处流速越大,压力越小,脉动压力的脉动幅度越大,在每个频率上所对应的声压级基本上越大,总声压级也越大;在同一行驶速度下,加速运动比匀速运动在接收点处的流速要大,压力要小,在每个频率上所对应的声压级基本上要大,总声压级要大,声压级随频率的变化情况与匀速运动一样.      

基于静态试验的发动机自由场声压级计算方法

分析通过喷气式发动机静态噪声试验数据获得其自由场声压级的数据修正方法。通过对点声源在刚性地面和有限声学阻抗地面上的分析,得到了基于地面试验数据的自由场声压级修正量计算方法。在此基础上,将点声源模型推广到复杂的喷气式发动机分布式声源模型,得到了可以考虑喷气式发动机喷气声源分布模型的自由场声压级修正量的计算方法。最后,采用参考文献中喷气式发动机噪声数据对该方法进行验证。结果表明,在考虑发动机声源特性和地面阻抗特性的情况下,该方法计算结果与参考文献中结果基本一致,可用于喷气式发动机静态噪声试验中自由场声压级的计算。     

10MW风电机组空气动力设计初探

从风电机组系统角度探索了我国未来设计10MW风电机组在空气动力设计方面的一些问题及对策。从分析风能分布与风速分布关系以及风电机组风能利用系数随风速变化关系出发,研究了风轮基本参数确定方法,并以动量叶素理论为基础,建立了优化设计模型对10MW叶片外形优化设计进行了初步探索,并对风轮性能进行了评估,完成了10MW机组叶片及风轮外形建模。提出了通过适当提高叶尖线速度及拓宽风轮转速范围,可以达到优化机组塔头质量,节约成本,提高年发电量等多重有利目标的观点。     

低压涡轮的气动-声学三维数值优化: 倾斜导叶策略

 低压涡轮既是飞机进场着陆时发动机的重要声源,也是发动机中对效率要求很高的部件之一,为了实现低压涡轮低噪声的设计目标必须同时兼顾气动性能指标。研究给出了高效低噪声低压涡轮气动-声学三维优化的思路,即首先通过计算流体力学(CFD)定常计算评估三维设计变化对气动性能的影响;然后利用非定常CFD方法与三平面压力模态匹配(TPP)方法的结合来评估其降噪的效果与非定常气动影响;最后确定最佳的设计方案。以GE-E³(Energy Efficient Engine)低压涡轮末级为算例,数值模拟了导叶倾斜作为低压涡轮降噪措施的潜力。计算结果表明,正倾斜导叶角度小于19°时单级涡轮气动性能较直列叶栅要好,效率最大提高了0.3%。对单音噪声级的评估指出,正倾斜由于改变了导叶的尾迹特征,涡轮级噪声水平是增大的,因此不能作为有效的降噪策略。数值研究的结果表明CFD方法能够同时反映出叶片三维设计的细节变化对气动和噪声级的影响,可以作为三维气动-声学优化的手段。     

叶尖射流对风力机叶尖流场影响的数值研究

为了设计出更加适合非并网系统的风力机,采用在叶尖加入射流的方法来改变叶尖流场分布.在风力机叶片顶端沿弦长布置3个喷口,采用CFD数值模拟方法,通过改变风力机转速获得原型和带喷口的风力机模型的气动特性以及流场分布.发现在转速低于1 200r/min时,带有安装在不同位置的喷口的风力机功率增长率几乎都为零,射流在这一转速范围内对风力机的气动性能几乎没有影响.而转速高于1 200r/min时,随着转速的增大,喷口位于叶尖中部的风力机的功率增长率快速地增大,射流影响了75%以上叶高的表面的压力分布,在大转速下吸力面低压区范围较大,其叶尖涡涡量低于其他方案中,并且在下游扩散得比其他方案快,改善了风力机下游流场,提高了风力机效率.喷口布置在叶尖前缘时其叶尖涡的局部涡量较原型叶片稍大,降低了风力机功率的输出.喷口布置在叶尖尾缘时基本和原型叶片相同.该结论为设计适用于非并网系统的定桨距变转速风力机提供了基础.     

基于涡尾迹方法的风力机载荷与响应计算

采用涡尾迹方法计算准定常气动性能,结合Leishman-Beddoes动态失速模型计算叶片的非定常气动力。应用有限元分析软件,分析风力机在不同转速下的风轮模态,塔架的前后、左右振动模态。基于非定常气动力和结构振动模态,针对风力机风轮,建立其结构运动方程。求解出的叶片振动速度加入到非定常气动力的计算中,从而建立了考虑叶片振动的风力机载荷、响应计算模型。分析了Phase VI叶片和某1.5MW风力机各个叶片截面的气动力、振动位移和振动速度随时间的响应曲线,表明该方法能够较好地计算出风力机的气动性能、载荷和响应。     

大型风力机气动弹性响应计算研究

发展了一套快速预测风力机动态响应的分析方法.针对南京航空航天大学设计的兆瓦级大型风力机叶片NH1500,按照工程梁方法对叶片及塔架结构进行简化,生成有限元梁模型.根据动量叶素理论编写气动力程序,为有限元模型提供气动载荷,从而完成时域情况下风力机的响应计算.最后,分析了叶片的几何非线性效应对响应的影响规律.     

涡桨飞机螺旋桨气动噪声特性试验研究

随着航空公司短途航线由涡扇发动机转向涡轮螺旋桨发动机,以及机场周边噪声污染的限制越来越严格,商用螺旋桨飞机的声学特征正成为关键的设计参数。为研究螺旋桨的气动性能和声学特性,以某型涡桨飞机六叶螺旋桨为研究对象,在北京航空航天大学沙河校区D5气动声学风洞开展实验研究。实验中对螺旋桨在固定桨叶角设置和旋转速度条件下不同来流风速的组合工况进行测量,以获取不同工况下螺旋桨的天平测力数据和远场声压信号,经过快速傅里叶变换得到来流速度对螺旋桨远场噪声的影响规律。实验结果表明:在较大来流条件下离散部分噪声能激发出更高阶的谐波噪声,各阶谐波噪声幅值随着谐波数增大逐渐降低;当风速较低时宽频噪声声压级增大,这是由于在低前进比条件下,叶片处于失速状态,拉力系数处于非线性段,与叶片表面复杂流场引起的湍流噪声增加有关。通过指向性分析可知,位于桨盘上游位置的总声压级水平大于桨盘下游位置的总声压级水平,主要是因为螺旋桨桨盘前后的相对速度发生了变化,导致了声传播距离的延迟和加速现象。     

基于响应面方法的风力机叶片多目标优化设计研究

运用基于响应面方法的优化设计技术,于径向使用NPU-WA-风力机专用翼型族的某1.5MW水平轴风力机叶片的多目标、多约束优化设计研究中。风力机气动性能使用基于叶素-动量理论的风力机性能分析和设计软件PROPID51。设计变量为叶片径向外形参数,包括弦长和扭转角分布,但是相对厚度保持不变;设计目标为年发电量和功率系数的最大化;在多目标优化中,使用"统一目标函数"法将多个设计目标函数通过加权求和统一到一个目标函数中。为减小计算量,响应面模型使用不含二阶交叉项的二阶多项式模型;构建模型中试验点的选择满足D-优化准则。以某1.5MW变速变矩型风力机叶片为例,进行了优化设计研究。叶片径向使用西北工业大学翼型研究中心设计的NPU-WA-风力机专用翼型族,使用CFD计算的气动性能数据作为输入进行了设计,分析了目标函数的权值分配对设计结果的影响;使用风洞测量自由转捩的气动性能数据进行了设计并分析了表面光滑条件对气动性能的影响。     

民用飞机增升装置气动噪声学风洞试验初步研究

采用模拟退火法阵列优化设计技术设计了对数螺旋麦克风阵列,开发了基于“波束成型理论冶的阵列试验数据处理软件。将风洞麦克风相阵列噪声识别技术用于SCCH模型增升装置气动噪声研究,开展了增升装置气动噪声源的远场定位探测和强度测量,并用数据处理软件对风洞试验数据进行处理。试验结果表明,随着观察频率的变化缝翼噪声声源的位置与强度会发生变化,襟翼侧缘噪声是一个宽频噪声,不同频率下其强度分布存在差异。同时也发现缝翼安装支架对缝翼和襟翼气动噪声声源有较大影响。文中也给出了多种工况下缝翼和襟翼噪声源分布。     

大型风力机三维空气动力学数值模拟

采用数值模拟的方法,对三种风力机叶片的空气动力学性能进行研究.计算得到了旋转功率随着来流速度的变化曲线,并将所得结果与基于动量叶素理论的工程设计方法结果、风洞实验结果和风场实测结果进行对比.计算结果体现了CFD方法解决这种问题的有效性.所用的数值模拟方法可以广泛地应用到风力机设计和气动性能评价中,所得结果可作为叶片动态特性及气弹稳定性分析的载荷而被应用于风力机性能和可靠性的评估当中.     

风力机叶片表面压力的计算与外场测试分析

研究在外场工况下,对风力机叶片表面压力的测试方法,并将测试结果与CFD计算结果进行比较。为了获取叶片在外场非稳态工况下的压力信息,沿叶片展向选取7个典型段面布置带式压力传感器。在数值计算中,通过数码扫描得到试验翼型的几何形状并建立计算模型,用非压缩的N—S方程和SSTk-w。湍流模型耦合,分别对7个翼型的气动性能进行计算。通过对试验和计算结果的对比发现,因为三维旋转效应的存在,基于动量叶素理论的二维翼型计算常常低估了实际风轮动力的产生,旋转叶轮表面压力分布和二维翼型计算结果明显不同。