风力机翼型气动噪声优化设计研究.pdf

第 4 7卷第 1 4期 2 0 1 1 年7 月 机械工程学报 J OURNAL OF MECHANI CAL ENGI NEERI NG Vl01 ． 47 J u 1 ． NO． 1 4 2 0 1 1 DoI 1 0 ． 3 9 0 1 ／ J M E． 2 0 1 1 ． 1 4 ． 1 3 4 风力机翼型气动噪声优化设计研究水 刘 雄 罗文博 陈严 叶枝全 周鹏展 2 f 1 ．汕头大学工学院汕头5 1 5 0 6 3 ； 2 ． 长沙理工大学能源高效清洁利用湖南省高校重点实验室长沙4 1 0 1 1 4 摘要 为获得高升阻比、 低噪声水平的风力机翼型， 将气动噪声引入到风力机专用翼型的设计中。 为评价翼型气动噪声水平， 对翼型 自身噪声进行讨论和研究，应用 NAS A 基于大量试验而得到的翼型 自身噪声模型进行建模。采用型函数扰动法对翼 型廓线进行表示，以翼型自身噪声水平作为优化 目标，将气动特性作为性能约束，建立翼型的优化设计模型。设计过程中， 采用 XF O I L获取翼型边界层参数，及对翼型的气动性能进行评价。将流场求解程序和直接优化方法相结合，采用复合形法 进行搜索寻优，用 Ma t l a b编制优化程序。以NAC A4 4 1 5作为原始翼型进行优化设计，得到一种具有高气动性能、低噪声水 平的风力机专用翼型。 关键词翼型噪声水平气动性能优化设计 中图分类号T K 8 3 Re s e a r c h o n t he Ae r o d y n a m i c No i s e Op t i m i z a t i o n o f W i n d Tu r b i ne Ai r f o i l LI U Xi o n g LUO We n b o CHEN Ya n YE Zh i q u a n ZHOU P e n g z h a n 1 ． C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g ， S h a n t o u U n i v e r s i t y , S h a n t o u 5 1 5 0 6 3 ； 2 ． Ke y La b o r a t o r y o f Effi c i e n t Cl e a n E n e r g y Ut i l i z a t i o n ， Co l l e g e o f Hu n a n P r o v i n c e ， C h a n g s h a Un i v e r s i ty o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , C h a n g s h a 4 1 0 1 1 4 Ab s t r a c t I n o r d e r t o O b t a i n wi n d t u r b i n e a i r f 0 i l s wi t h h i g h l i f t _ t o ‘ d r a g r a t i o a n d l O W n o i s e l e v e 1 ． t h e a e r o d y n a mi c n o i s e I S l n t r o d u c e d i n t o t h e wi n d t u r b i n e a i rfo i l d e s i g n p r o c e s s ． T o e v a l u a t e t h e a i rfo i l a e r o d y n a mi c n o i s e l e v e l ， t h e a i rfo i l s e l f - n o i s e mo d e l i s s t u d i e d a n d t h e NAS A s e l f - n o i s e mo d e l b a s e d o n e x t e n s i v e e x p e r i me n t s i s a p p l i e d t o mo d e l i n g t h e a i r f o i l a e r o d y n a mi c n o i s e ． W i t h t h e a i r f o i l p r o fil e d e s c rib e d b y u s i n g s h a p e f u n c t i o n p e r t u r b a t i o n me t h o d ，t a k i n g t h e a e r o d y n a mi c p e rfo r ma n c e a s a c o n s t r a i n t ，a n o i s e o p t i mi z a t i o n me tho d i s s e t u p wi t h the o b j e c t i v e t o s a t i s f y t h e l o we s t s e l f - n o i s e l e v e 1 ． I n t h e d e s i g n p r o c e s s ． XF OI L i s u s e d t o g e t t h e b o u n d a r y l a y e r p a r a me t e r s and e v a l u a t e the a i rfo i l a e r o d y n a mi c p e r f o rm a n c e ． By c o mb i n mg t h e f l o w fie l d s o l v e r a n d t h e d i r e c t o p t i mi z a t i o n me tho d ，a n d u s i n g t h e c o mp l e x me tho d t o c a r r y o u t t h e s e arc h i t e r a t i o n s ，a M a t l a b b a s e d o p t i mi z a t i o n p r o g r a m i s d e v e l o p e d ． By t a k i n g NACA 4 41 5 a s t h e o r i g i n a l a i rfo i l a n d a p p l y i n g t h e d e v e l o p e d p r o g r a m，a n a i r f o i l wi t h h i g h a e r o d y n am i c p e r f o rm a n c e an d l o w n o i s e l e v e l i s o b t a i n e d ． Ke y wo r d s Ai rfo i l No i s e l e v e l Ae r o d y n am i c p e rfo rm a n c e Op t i mu m d e s i gn 0 前言 叶片作为风力机的关键部件，由不同的翼型截 面构成，直接关系到风力机各方面的使用性能，所 以对风力机翼型的设计就尤为重要。在早期的翼型 设计中，设计者主要考虑的是如何优化翼型的气动 国家 自然科 学基 金 5 0 7 O 6 0 2 3 、广 东省 教育 部产 学研 结合 研究 2 0 0 8 B 0 9 0 5 0 0 2 5 5 、广东省 自然科学基金 0 6 O 2 7 1 8 6 和能源高效清洁 利用湖 南省高校 重点实验室基金资助项 目。2 0 1 0 1 1 2 3收到初稿， 2 0 1 1 0 4 1 2收到修改稿 。 性能，尽可能提高风力机 的捕风效率【 J J 。而随着现 代风力机 的发展 ， 对翼型综合性能的要求越来越高， 对翼型的优化设计也从单一追求气动性能向多目标 优化转变【 j J 。 风力机在工作的时候会产生相当大的噪声，对 周边生态环境造成破坏【4 】 。相关研究表明，由叶片 产生的气动噪声近似地与叶尖速度的 5次方成正 比，所 以风力 机制 造 商通 常把 叶尖 速 度 限制 在 6 5 m ／ s 左右【 5 ] 。优化风力机的噪声性能成为了行业 发展的必然 。2 0世纪 8 O年代 以后，预测风电场 噪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 7月 刘雄等风力机翼型气动噪声优化设计研究 1 3 5 声和降低风力机噪声技术都取得 了很大的进步，低 噪声水平风力机也作为一个新概念被提了出来，国 外一些学者对风力机气动噪声做了大量相关的工 作，取得 了一定的成果 。风力机气动噪声主要包括 湍流噪声和翼型 自 身噪声两类，大多数噪声主要预 测方法都是以L I G H T H I L L t6 J 于2 0 世纪 5 O 年代提出 的声类比法作为理论基础 ，WI L L I A MS等【 7 J 拓展 了 此理论，并考虑 了边界层对气动噪声的影响。在前 人 的理论基础上， AMI E T J 对湍流噪声进行了研究， 并提出了相关计算模型。而对于翼型自身气动噪声 的研究， 其中比较典型的是 T H O MA S 等[9 】 基于大量 风洞风场试验而得出的半经验 B P M 噪声模型。 本文采用 B P M 翼型 自 身噪声模型，提出了一 种将气动性能和声学性能相耦合的翼型设计方法 ， 针对常用的N A C A 4 4 1 5 翼型做了初步的算例。 在考 虑风力机翼型气动性能的同时，把噪声性能作为优 化 目 标，将流场求解程序和直接优化方法相结合， 得到具有高气动性能，低噪声水平的风力机专用 翼型。 1 叶片翼型 自身噪声 叶片与稳态来流相互作用形成边界层与尾流， 由此造成的气流波动产生的噪声称为翼型 自身噪 声[9 ] ，是由空气动力本身造成的，即使在稳态、无 湍流扰动的情况下也会产生。包括湍流边界层尾缘 噪声，层流边界层脱落涡噪声，分离流噪声，钝尾 缘噪声和叶尖涡噪声。叶尖涡噪声是由于叶尖的绕 流而产生，相对其他 噪声 比例较小，而且只出现在 整个 叶片的叶尖处，对翼型设计本身影响不大 ，同 时考虑大多数风力机工作在湍流条件下，所以本文 暂对叶尖涡噪声和层流边界层脱落涡噪声不作计 算。在原有 B P M 噪声模型中，边界层参数仅仅是 雷诺数和攻角的函数，忽略了翼型形状对参数的影 响， 改用X F O I L直接对边界层参数进行求解， 提高 了计算模型的精确性【 l 们 。 1 ． 1 湍流边界层尾缘噪声 这类 噪声是 由于湍 流边界层与 翼型尾缘相互 作用而产生，如图 1 所示。特别是在高雷诺数的条 件下，湍流边界层尾缘噪声对总体噪声水平贡献较 湍流边界层 图 1 湍流边界层尾缘噪声 大，是风力机高频噪声的主要来源。吸力面和压力 面均产生此类噪声，可表示为 S e p1 01 g H ] 一3 A K1 1 S p , 1 0 1 g H 式中 ， ． 分别为压力面和吸力面湍流边 界层尾缘噪声 ， 分别为压力面和吸力面尾缘边 界层位移厚度 Ma ， L， ， 分别为马赫数 、展向长度 、测 试距离和指向性函数 ， ， 分别为压力面和吸力面基于边 界层位移厚度的斯特劳哈尔数、 经验斯特劳哈尔数 谱形状函数 ， 修正因子 的经验常数 定义相应斯特劳哈尔数为 争 盟 0 ． 0 2 Ma 式 中 厂噪声频率 z f - 一 来流风速 定义指向性函数为 图2 D 2 s i n 0 e ／ 2 s i n 1 Ma c o s [ 1 Ma Ma c o s O , ] s i n 0 e s i n 1 Ma c o s O 1 2． 5 。 ≥l 2 ． 5 。 式 中 极指 向角 方位指向角 Ma 对流马赫数 Ma ≈0 ． 8 Ma 攻角 1 ． 2 分离流噪声 随着攻角的增加，吸力面边界层湍流加剧，形 成不稳定气流，在一定条件会脱离边界层形成分离 流，由此而产生的噪声称为分离流噪声，如图 3 所示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 7卷第 1 4期 图 2 指向性函数 边界层分离 图 3 分离流噪声 经验公式类似于湍流边界层噪声，记为 S e ,,--1 0 l g H 式中 分离流噪声 ， ， 分别为经验斯特 劳哈尔数、修正因 子经验常数、谱形状函数 定义相应斯特劳哈尔数为 1 0 。 。。 。 研 4． 7 2 1 2． 5 。 1 ． 3 钝尾 缘 噪声 这类噪声是由于钝尾缘引起的脱落涡所产生， 如图4 所示，噪声频率和幅度很大程度取决于翼型 钝尾缘的几何尺寸 图 5 。 当尾缘厚度远大于边界层 厚度的时候，此类噪声对翼型自身总体噪声水平影 响较大[ 1 l 】 。这类噪声可通过锐化边缘来消除，噪声 水平可记为 一 Sz o l t1 0l g ] G l ] j ． 式中 钝尾缘噪声 h ， 分别为钝尾缘厚度和尾缘角 G 1 ， G 2 经验函数 尾缘处压力边界层位移厚度和吸 力边界层位移厚度的平均值 基于尾缘厚度的斯特劳哈尔数 斯特劳哈尔数峰值 钝尾缘 脱落涡 图 4 钝尾缘噪 声 尾缘角 图 5 钝尾 缘尺 寸 哑 二二 吣 1 ． 4 总体噪声水平 以上对风力机翼型 自身各类噪声进行了描述 和计算，而对于工作 中翼型，这几类噪声源往往 是 同时存在 的 ，需要对这几类噪声 的声压级进行 叠 加【 l ，所得总体噪声水平公式如下 叫 l O lg 1 O s 肿 l O se , Ⅲ 1 0 s p 九 。 1 0 S P OIu lIt n 。 1 4 2 翼型理论与设计 2 ． 1 翼型理论 远端大气来流与翼型相互作用之后，迫使流场 沿翼型几何形状改变，如图6 所示。 图6 翼型流场 从流体力学的基本知识可知，需要产生一个压 力梯度 a p ／ O r p v ／ r 来使流线沿翼型弯曲， 此处， ． 为流线曲率，P为压力，v 为气流速度，P为空气 密度，这个压力梯度的作用就像圆周运动所需的向 心力一样【 4 J 。翼型形状使得上表面的空气 比下表面 的空气运动得更快，根据伯努利方程，较高的速度 产生较低的压力，这样就造成翼型上表面的压力小 于远处的大气压力，称之为吸力面 ，而翼型下表面 的压力大于远处的大气压力，称之为压力面。上下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 7月 刘雄等风力机翼型气动噪声优化设计研究 l 3 7 表面的压差就产生了翼型的升力，而相应的阻力主 要是 由于大气粘性的存在而产生的摩擦力。 翼型的不同形状，造成了表面压力分布的不 同，从而影响其空气动力特性，同时，翼型自身噪 声也与流场边界层相关，这就决定了可以通过改变 翼型形状，来提高翼型的气动性能和噪声性能。 2 ． 2 翼型设计 本文采用型函数扰动法，横坐标 值不变 ，纵 坐标 Y值 随着型函数因子的变化而变化 ，从而得到 不 同的翼型，表示为 上 。 d ∑ 5 i 1 式中 新翼型坐标 I d 旧翼型坐标 型函数 设计变量，型函数加权 因子 其中型函数采用的是 Hi c k s ． He I l 1 1 e [ 函数簇 。吸力 面上放置 7个型函数 l f l x X 0 ．5 1 一 x e x p - 1 5 x { s i n 似 “ m 2 ， 3 ， ⋯ ， 6 6 l 1 压力面上也放置 7个型函数 f 一 X 0 ．5 1 一 x e x p 卜 { - s i n m 9 ， 1 0 ， ⋯ ， l 3 7 l 一 1 式中 e m l g O ．5 ／ l g x m ， 0 ． 1 m 2 ， 9 0 ． 2 m 3． 1 0 0． 4 m 4 ， 1 1 0 ． 6 m 5 ， 1 2 0 ． 8 ， ， l 6 ， 1 3 这类 函数的好处在于，在区间[ 0 ， 1 】 内是单峰连 续函数 ，且向两边衰减较快，可 以根据需要放置型 函数的位置，对翼型关键点进行修型，同时也可 以 保证翼型整体性的平滑，鉴于本文考虑了钝尾缘噪 声，故单独在上下表面尾缘处分别增加了一个常函 数 ，用来达到调整尾缘厚度 的 目的。由于上下表面 型函数的对称性， 只给 出吸力面型函数如图 7所示 。 对于翼型的气动设计，通常的方法有以下三 种【3 J 。半经验法，这种方法要求设计者有丰富的经 验，在理论和实践结果基础上，通过反复对翼型修 形，来获得所需的设计 目标 。反设计法 ，此方法是 由设计者首先给 出所希望达到的气动状态，通过对 流动控制方程的迭代求解 ，逐步逼近所给的气动状 态。直接优化法，即将求解翼型流场程序和优化程 序相结合 ，通过对翼型形状 的扰动 ，来求 目标函数 在约束条件下的极值，这种方法的好处在于每迭代 一 次 ，都能产 生一个真实的翼型 ，而且还可 以保证 翼型性能在可行域 内逐步优化，克服了半经验法的 盲 目性，故本文采用直接优化方法 。 ／ l2 厂 5 1 O 0 ． 8 06 04 0 ． 2 图 7 型函数 2 ． 3 翼型设计流程图 在本文的翼型优化设计中，把所需达到的气动 特性作为约束条件，以翼型自身噪声水平作为优化 目标 ，设计思路如图 8所示 。 图 8 翼型设计流程图 3 算例分析 运用上述翼型设计方法， 本文基于NAC A 4 4 1 5 ， 对其翼型 自身噪声水平进行优化。 选择设计变量 1 4 个。设计雷诺数R e 3 1 0 ，马赫数Ma O ． 1 。 优化 目 标m i n ta 1 。 形状约束 ≥ ld 。 性能约束 ≥0 ． 9 8 5 ， ≥0 ． 9 8 5。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 8 机械工程学报 第4 7卷第 1 4期 式中， 8 0 。 和 分别为优化前后翼型厚度， c 和 C 分别为优化前后翼型升力系数 ， C ， 和 c 分别为优化前后翼型升阻比。 本文选用复合形法作为优化算法，由于寻优可 行域为非凸，复合形形心可能落于可行域之外 ，从 而引起收敛性变差和计算效率降低，甚至导致迭带 过程的中断，故本文对常规复合形法进行了一定修 正，初始点选取 1 9 个，建立了B P M 翼型自身噪声 模型， 对原有模型进行修正，改用 X F O I L [ 14 】 流场分 析程序对翼型边界层参数进行直接求解，并对计算 得到的 1 ／ 3倍频程噪声频谱进行 A计权 ，得到能 主观反映人耳对噪声感觉的声压级 ， 用 Ma t l a b编制 相关程序对 翼型进行优化。优化过程调用 XF O I L 程序 3 4 1 7 次，迭代 2 6 8 次。优化前后翼型形状对 比如图 9所示。 O 蜷 0 { } { ．匡 船 一 0 - 0 方向坐标 图 9 翼型外形对比 0 从图 9可 以看 出，主要对翼型上表面进行了修 形，下表面变化不大，优化翼型的相对厚度有所增 加，满足设计之初 的形状约束。 图 1 0 为优化前后翼型升力系数随攻角变化图， 可以看到在大部分攻角范围内，升力系数相对原有 翼型都得到了一定的提 高。 U 裁 1 l {5 R 索 攻角 a ／ 。 图 1 0 升力系数对比 图 1 l 为优化前后翼型升阻比随攻角变化图， 可 以看出，虽然最大升阻比提高不多，但也能满足性 能约束。 图 1 2为优化前后翼型噪声水平对 比图，可 以 看出，在 0 。攻角以上，优化后翼型噪声水平都得 到了较大程度的降低。 Q 盛 ∞ 重 * * 缸 攻角 。 图 1 1 升阻 比对 比 攻角 aI 。 图 1 2 噪声水平对 比 翼型优化前后总体性能对 比如下表所示，可 以 看出，优化后翼型最大升阻比提高 0 ． 7 8 ％，对应升 力系数提高 2 2 ．6 3 ％，对应噪声水平降低 8 ． 5 9 ％，满 足了总体设计要求。 表优化前后翼型性能对比 4 结论 1 随着现代风力机的发展，对风机的综合性 能要求也越来越高，噪声问题也成为了制约风力机 发展的不可忽略的一个方面 ，所 以有必要对风力机 噪声进行研究。 2 将气动噪声耦合到翼型优化设计过程中， 运用 B P M 模型对翼型 自身噪声进行建模，并将求 解流场程序和直接优化算法相结合，确保了目标函 数值在可行域内的逐步优化。 3 以N A C A 4 4 1 5 为例，在满足形状约束和性 能约束的条件下， 对翼型自身噪声水平进行了优化， 得到了具有高气动性能，低噪声水平的新翼型，证 明了本文研究方法的可行性。 参考文献 [ 1 ]1 F UG L S A NG P B AK C． D e v e l o p me n t o f t h e R i s b wi n d 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 7 月 刘雄等风力机翼型气动噪声优化设计研究 1 3 9 t u r b i n e a i r f o i l s [ J 】 ． Wi n d E n e r g y , 2 0 0 4 ， 7 2 1 4 5 - 1 6 2 ． [ 2 】 陈进，张石强，E E C E N P J ，等．风力机翼型参数化表 达及 收敛 特性 [ J ] ．机械 工程 学报，2 0 1 0 ，4 6 1 0 1 3 2 ． 1 3 8 ． CHE N J i n ， Z HANG S h i q i a n g ，EE CEN P J ，e t a 1 ． P a r a me t r i c r e p r e s e n t a t i o n a n d c o n v e r g e n c e o f wi n d t u r b i n e a i r f o i l s【 J ] ． J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 0 ， 4 6 1 0 1 3 2 1 3 8 ． [ 3 】 陈培， 杜绵银， 刘杰平． 风力机专用翼型发展现状及 其关键气动 问题分析[ J ] ．电网与清洁能源，2 0 0 9 ， 2 5 2 3 6 - 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n o i s e a n d p r e d i c t i o n NAS A r e f e r e n c e p u b l i c a t i o n 1 2 1 8 [ R ] ． H a mp t o n NAS A L a n g l e y R e s e arc h C e n t e r , 1 9 8 9 ． P A TRI CK J M，GI ANF RA NCO G P AUL G M ． Re c e n t i mp r o v e me n t o f a s e mi e mp i ric a l a e r o a c o u s t i c p r e d i c t i o n c o d e f o r wi n d t u r b i n e s【 C 】／ ／P r o c e e d i n g s o f 1 0 t h AI AA， CE AS Ae r o a e o u s t i c s Co n f e r e n c e ．M a n c h e s t e r AI AA． 2 0 0 4 1 - 1 6 ． MORI ART Y MI GL I ORE P S e mi - e mp i r i c a l a e r o a c o u s t i c n o i s e p r e d i c t i o n c o d e for wi n d t u r b i n e s[ R 】 ． Co l o r a d oNa t i o n a l Re n e wa b l e E n e r gy La b o r a t o ry, 2 0 0 3 ． 周新祥． 噪声控制技术及其新进展 【 M】 ．北京 冶金工 业出版社． 2 0 0 7 ． Z HOU Xi n x i an g ．No i s e c o n tr o l t e c h n o l o g i e s an d the d e v e l o p me n t 【 M】 ． B e i j ing Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 7 ． HI CKS R M，HENNE P A． W i n g d e s i g n b y n u me r i c a l o p ti mi z a ti o n[ J 】 ．J o u r n a l o f A i r c r a f t ，1 9 7 8 ，1 5 7 4 0 7 ． 41 2 ． MA R K D， HA RO L D Y XF OI L 6 ． 9 4 u s e r g u i d e[ M】 ． Cam b rid g e M a s s a c h u s e Rs I n s t i t u t e o f T e c hn o l o gy , 2 0 0 1 ． 作者简介刘雄 通信作者 ，男，1 9 7 5年出生，博士，教授 。主要研究 方 向为风能利用。 E - ma i l l x s t u ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m