CN103631994A - 一种风力机噪声声辐射规律数值预测的方法 - Google Patents

一种风力机噪声声辐射规律数值预测的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力机噪声声辐射规律数值预测方法，包括：风力机模型建立、流场网格划分、基于大涡模型方法的流场的计算以及基于间接边界元方法的声场分布的计算等步骤。该方法利用流场计算数据结合边界元方法对于风力机噪声声辐射规律进行数值预测，在软件的协助下，可以大大地简化计算过程，使其预测过程简单，计算结果精确，计算量小，速度快，在工程上有较大的应用价值。

Description

一种风力机噪声声辐射规律数值预测的方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种风力机噪声声辐射规律数值预测的方法。
背景技术
风力机的气动噪声与叶片翼型密切相关，根据叶片的翼型噪声实验研究和模拟计算来预测它的气动噪声可以为低噪声风力机的设计提供方便。数值计算预测风力机的气动噪声可以采用计算流体力学(CFD)方法求解，不过这种方法比较复杂，而且目前还不很成熟。采用建立在试验结果基础上的半经验公式可以直接计算风力机的噪声，Brooks，Pope和Marcolini(NASA Reference Publication1218，USA：NationalAeronautics and Space Administration，1989，Airfoil self-noise prediction)利用NACA0012翼型的风洞得到试验结果所总结的翼型自噪声半经验公式，是目前噪声计算和风力机气动噪声优化设计最常用的半经验公式之一，比如2010年上海交通大学李应龙、欧阳华等人(能源技术，2010，No：3,Vol：31，pp：152-158)在Brooks，Pope和Marcolini提出的翼型自噪声半经验公式的基础上，进一步集成了由Amiet提出的湍动来流噪声半经验公式，对型号为AOC-15／50风机在不同来流风速下的气动噪声进行了计算。2011年汕头大学刘熊、罗文博等人(机械工程学报，2011，No：14,Vol：47，PP：134-139)采用BPM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NACA4415翼型进行了气动噪声的优化设计。2011年南京航空航天大学民航司海青、王同光等人(空气动力学学报，2011，Vol：29，No：6，pp：801-804)通过分析风力机噪声产生的机理，利用BPM翼型自身噪声模型的几种不同形式的风力机噪声源进行叠加计算，进而得到风力机全机的声压级和声功率级噪声谱，以及总声压级和总声功率级。
上述用CFD方法求解风力机噪声比较复杂，计算量大。建立在试验结果基础上的半经验公式可以直接计算风力机的噪声，这种方法需要针对不同翼型改造半经验公式在计算风力机的噪声，方法具有一定的局限性。
在噪声的传播计算方面，数值声学主要分为声学有限元法FEM(Finite ElementMethod)和声学边界元法BEM(Boundary Element Method)。目前边界元方法是被广泛应用于声学领域研究中，应用此方法，只需要求解Green函数就可以方便的得到任意观察位置的声压信号。亥姆霍兹边界积分方程(Helmholtz)被广泛地用来分析无界声场中结构体声辐射，它成为计算无界声场中声辐射的最好方法。但解的不唯一性和奇异、超奇异的数值积分是边界元方法在计算声学外问题时遇到的问题，处理不唯一性的方法已有许多，其中最常用的两种方法是由Schenck推导的组合Helmholtz积分方程式和由Burton等构造的复合Helmholtz积分方程式。但对该方法的求解需要大量的计算机资源，虽然近年来发展了一些迭代算法可以将计算量降低量级，但计算量仍然很大，然而，快速多极算法FMM(Fast multipole method)的提出解决了传统边界元方法遇见的近年来，相关研究将快速多极算法用于加速传统边界元方法求解，即建立快速多极边界元方法FMBEM(Fast Multipole BoundaryElement Method)，而在国内，这一研究领域尚未取得进展。国内外在噪声辐射传播方面，利用混合计算气动声学方法结合边界元法是目前广泛应用在叶轮机械开口系统气动噪声预测，但是混合计算气动声学方法结合边界元法在风力机噪声传播计算中尚未开展。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种风力机噪声声辐射规律数值预测的方法，混合计算气动声学方法结合边界元法，对风力机噪声声辐射规律数值进行预测。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种风力机噪声声辐射规律数值预测的方法，利用多区域边界元方法和风力机虚拟面上的速度、压力信息连续性条件求解声场，得到声场内任意一点的声压，计算中以四节点四边形等参元模拟风力机表面，利用正则化关系式将Helmholtz积分方程中的超奇异数值积分转化为弱奇异数值积分和利用高性能计算机采用快速多极算法获得风力机近尾迹区域声场细节信息。
为实现上述目的，本发明提供了一种风力机噪声声辐射规律数值预测方法，包括如下步骤：
(A)利用建模软件GAMBIT建模生成风力机叶轮实体模型；
(B)采用非结构化四面体网格对所述风力机叶轮的流场区域进行网格划分；
(C)使用Principal Axes网格分割方法对所述网格进行分割；
(D)采用大涡模拟方法，使用标准的Smagorinsky模型，对所述风力机叶轮的流场进行计算；
(E)利用流场计算结果为基础，通过Fluent软件导出风力机叶片表面压力脉动的CGNS格式的数据文件和风力机边界元网格的BDF格式的数据文件，然后导入气动声学软件中；
(F)采用间接边界元法计算不同特征频率下所对应声场分布的声压云图。
在本发明的较佳实施方式中，所述步骤(B)中所述流场区域划分的网格总数为750万，所述流场区域左侧为研究区域进口，右侧为研究区域出口，所述风力机叶轮所在的中部区域为网格加密区。
在本发明的另一较佳实施方式中，所述步骤(C)中所述Principal Axes网格分割方法基于Fluent软件，所述Fluent软件具有预览功能，可以在所述网格分割之前自动选择最好的网格分割方案。
在本发明的较佳实施方式中，所述步骤(D)中所述风力机叶轮的流场计算的边界条件为：
(1)假定所述进口边界处具有相同的风速，且不考虑风速切变的影响；
(2)认为在所述出口边界处流动处于次充分发展流动状态，所以设置所述出口为压力出流边界，所述出口压力认为是大气压强；
(3)叶轮设定为旋转壁面边界。
在本发明的另一较佳实施方式中，所述条件(1)中所述风速为8m／s，并且正交于所述进口边界流入。
在本发明的较佳实施方式中，所述步骤(D)中所述风力机叶轮的流场计算的定解条件为：采用分离式求解器进行求解，结合隐式算法，压力和速度耦合采用PISO算法，在使用压力速度耦合PISO算法的同时结合动量积分方程的数值离散格式即限制性的中心差分格式。
在本发明的另一较佳实施方式中，所述间接边界元法步骤如下：
(F1)根据CFD流场计算结果，提取所述风力机叶片表面流体压力脉动和流体网格以及边界元网格；
(F2)Virtual Lab Acoustics中导入流体压力和流体网格；
(F3)计算所述风力机叶片上的集中载荷；
(F4)设定分析模型类型为间接边界元法；
(F5)导入边界元网；
(F6)定义网格类型和场点网；
(F7)网格前处理操作；
(F8)定义流体材料和属性；
(F9)导入并定义旋转偶极子声源结果；
(F10)计算声场分布和场点计算。
本发明公开的风力机噪声声辐射规律数值预测方法利用流场计算数据结合边界元方法对于风力机噪声声辐射规律进行数值预测，在软件的协助下，可以大大地简化计算过程，使其预测过程简单，计算结果精确，计算量小，速度快，本计算方法在工程上有较大的应用价值。通过数值预测，最终可以从设计源头降低风轮气动噪声以及为降噪方法的实施提供工程应用基础，并为减少实验方案提供技术支持。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的风力机叶轮实体模型图；
图2是本发明的一个较佳实施例的水平轴风力机计算区域分布图；
图3是本发明的一个较佳实施例的水平轴风力机计算区域网格划分图；
图4是本发明的一个较佳实施例的间接边界元法求解声场的步骤流程图。
具体实施方式
一.流场的计算及分析
(1)风力机模型建立及流场网格划分
利用建模软件GAMBIT建模生成了新系列翼型风力机叶轮实体模型。如图1所示。
由于非结构网格在处理复杂几何区域中流动问题时有着良好的适应性，又考虑到所研究问题的复杂性，所以采用非结构化四面体网格对流场区域进行网格划分。对所研究区域进行网格划分后，网格总数达750多万。如图2和图3所示，左侧为研究区域进口，右侧为研究区域出口，叶轮所在的中部区域为网格加密区。
(2)网格分割
Fluent软件支持并行计算，并且提供检查和修改并行配置的工具。本实施例采用单台多核高性能服务器进行计算。
因为计算的总体区域为圆柱形区域，最长主轴和流体流动的主流方向一致，而且所用基本坐标系为Cartesian坐标系，所以使用FLUENT里默认的网格分割方法Principal Axes。该默认网格分割方法可以实现所研究问题的网格分割邻域数最小，再结合FLUENT网格分割中的预览操作可使所研究问题在网格分割之前自动选择最好的网格分割方案。
(3)模拟方法
湍流模型选择：采用大涡模拟方法LES(Large eddy simulation)，采用的小尺度计算模型为亚格子模型，使用标准的Smagorinsky模型。对于本实施例所研究的高Re数流动情况，由介于DNS法和高雷诺数湍流模型RANS法之间的LES方法结合动态Smagorinsky模型影响修正，对于近壁面相对较小网格密度条件下捕捉叶轮附近流场的流动特征具有较好的效果。
边界条件：1)假定进口边界处具有相同的风速,且不考虑风速切变的影响。设置进口为速度进口边界。并运用谱合成算法将时均RNG k-ε方程中描述来流的脉动动能和脉动紊流度考虑在内。本实施例的设计来流风速为8m／s，并且正交于入口边界流入。2)认为在出口边界处流动处于次充分发展流动状态，所以设置出口为压力出流边界。出口压力认为是大气压强。3)叶轮设定为旋转壁面边界。旋转壁面将X轴为旋转轴，以545r／min的转速跟随由滑移网格技术定义出来的旋转区域以零相对速度旋转。由于在确定计算区域时已经考虑到了计算区域外边界对计算的影响，故选用相对于叶轮直径较大的区域外边界，可忽略外边界对计算的影响，其边界条件也可作为固壁边界来处理。这样也与实际试验的风洞情况一致。
定解条件：采用分离式求解器(segregated solver)进行求解，结合隐式算法，压力和速度耦合采用PISO算法。在使用压力速度耦合PISO算法的同时结合动量积分方程的数值离散格式即限制性的中心差分格式。该差分格式能够更好的适应本实施例计算中所遇到的较大偏斜度的网格区域，因为其在中心差分格式二阶精度的基础上引入了一个限制性修正项。所以对于本实施例所研究的较大网格偏斜度的复杂流场运用该差分格式能够得到更为准确的计算结果。
二、声场分布的计算
利用以流场CFD的计算结果为基础，通过Fluent软件导出风力机叶片表面压力脉动的CGNS格式的数据文件和风力机边界元网格的BDF格式的数据文件，然后导入气动声学软件中，采用间接边界元法计算不同特征频率下所对应声场分布的声压云图。
(1)间接边界元法求解声场的步骤
利用间接边界法求解声场的具体步骤见图3，具体步骤如下：
(a)根据CFD流场计算结果，提取所述风力机叶片表面流体压力脉动和流体网格以及边界元网格；
(b)Virtual Lab Acoustics中导入流体压力和流体网格；
(c)计算叶片上的集中载荷；
(d)设定分析模型类型为间接边界元法；
(e)导入边界元网；
(f)定义网格类型和场点网；
(g)网格前处理操作；
(h)定义流体材料和属性；
(i)导入并定义旋转偶极子声源结果；
(j)计算声场分布和场点计算。
(2)声场分布计算结果分析
计算区域三维坐标轴定义为，与风轮旋转轴垂直且通过风力机叶片叶尖翼型前缘点的平面定义为风轮旋转平面，风轮旋转轴与该平面的交点为风轮旋转中心，设置为坐标原点O。通过原点与来流平行的轴为x轴并且取来流方向为x轴的正向。通过原点平行地面并且垂直来流为y轴，取平行地面远离原点为y轴的正向。通过原点垂直地面的轴为z轴，取垂直地面向上为z轴的正向。从原点O开始沿x轴正向从x=60-140cm每隔20cm布置一个截面，共布置5个截面，截面1为x=60cm的yoz平面。按照间接边界元法求解声场的步骤，计算相应截面的声场分布，得到风力机近尾迹区域截面2为x=80cm，截面3为x=100cm，截面4为x=120cm等三个截面在额定减速比5.5，转速为750r／min，其旋转基频为37.5Hz。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种风力机噪声声辐射规律数值预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)利用建模软件GAMBIT建模生成风力机叶轮实体模型；
(B)采用非结构化四面体网格对所述风力机叶轮的流场区域进行网格划分；
(C)使用Principal Axes网格分割方法对所述网格进行分割；
(D)采用大涡模拟方法，使用标准的Smagorinsky模型，对所述风力机叶轮的流场进行计算；
(E)利用流场计算结果为基础，通过Fluent软件导出风力机叶片表面压力脉动的CGNS格式的数据文件和风力机边界元网格的BDF格式的数据文件，然后导入气动声学软件中；
(F)采用间接边界元法计算不同特征频率下所对应声场分布的声压云图。
2.如权利要求1所述的风力机噪声声辐射规律数值预测方法，其中，所述步骤(B)中所述流场区域划分的网格总数为750万，所述流场区域左侧为研究区域进口，右侧为研究区域出口，所述风力机叶轮所在的中部区域为网格加密区。
3.如权利要求1所述的风力机噪声声辐射规律数值预测方法，其中，所述步骤(C)中所述Principal Axes网格分割方法基于Fluent软件，所述Fluent软件具有预览功能，可以在所述网格分割之前自动选择最好的网格分割方案。
4.如权利要求2所述的风力机噪声声辐射规律数值预测方法，其中，所述步骤(D)中所述风力机叶轮的流场计算的边界条件为：
(1)假定所述进口边界处具有相同的风速，且不考虑风速切变的影响；
(2)认为在所述出口边界处流动处于次充分发展流动状态，所以设置所述出口为压力出流边界，所述出口压力认为是大气压强；
(3)叶轮设定为旋转壁面边界。
5.如权利要求4所述的风力机噪声声辐射规律数值预测方法，其中，所述条件(1)中所述风速为8m／s，并且正交于所述进口边界流入。
6.如权利要求2所述的风力机噪声声辐射规律数值预测方法，其中，所述步骤(D)中所述风力机叶轮的流场计算的定解条件为：采用分离式求解器进行求解，结合隐式算法，压力和速度耦合采用PISO算法，在使用压力速度耦合PISO算法的同时结合动量积分方程的数值离散格式即限制性的中心差分格式。
7.如权利要求1所述的风力机噪声声辐射规律数值预测方法，其中，所述间接边界元法步骤如下：
(F1)根据CFD流场计算结果，提取所述风力机叶片表面流体压力脉动和流体网格以及边界元网格；
(F2)Virtual Lab Acoustics中导入流体压力和流体网格；
(F3)计算所述风力机叶片上的集中载荷；
(F4)设定分析模型类型为间接边界元法；
(F5)导入边界元网；
(F6)定义网格类型和场点网；
(F7)网格前处理操作；
(F8)定义流体材料和属性；
(F9)导入并定义旋转偶极子声源结果；
(F10)计算声场分布和场点计算。
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Address before: 830091 Nanchang road the Xinjiang Uygur Autonomous Region Urumqi shayibake District No. 236

Applicant before: Dai Yuanjun

GR01 Patent grant
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