风电场噪声传播的数值模拟研究
发布时间：2020-12-23 04:55
科技的飞速进步与发展也带动了传统能源的快速消耗,能源危机使可再生能源进入了大众的视野。风能作为可再生能源里不可或缺的一类,在近年得到了足够的重视,受到了国家的大力推广。而风资源和土地资源有限,风力机的安装位置也逐渐向居民区靠近。尽管风能清洁、低碳环保,但是风力机在运行时,会产生一定的气动噪声,并且以中低频噪声为主,因此风电噪声会对风电场附近的居民有潜在的健康危害。目前,耦合风力机布机位置与风电场噪声传播影响的研究还不够深入,因此,如何在规划的区域内,寻找到周围对居民区噪声影响最小的风电场布局方式是本课题的研究目标。减少风电场在运行时对居民的健康危害,让风能被大众接受并成为真正意义上的清洁能源是本课题潜在的研究意义。为了实现上述研究目标,本文围绕风力机叶素动量理论、风力机尾流数值模拟、平坦地形单台风力机的噪声传播数值模拟、平坦地形风电场的噪声传播数值模拟等方面进行了如下工作:（1）介绍并研究了国内外对风电场噪声传播的进展,对噪声可能造成的健康危害进行了简单的说明。（2）结合叶素动量理论（BEM）分析了叶片的气动性能,介绍了 Jensen尾流模型,并利用MATLAB模拟分析了单台Nibe-...
【文章来源】：扬州大学江苏省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２我国每年风电新增装机容量及总容量（ＭＷ）??但是，随着风电行业的迅猛发展，风电场的规模不断扩大，由于土地资源稀缺，一些??分散式风电场甚至就布置在居民区内
６???扬州大学硕士学位论文???第二章风力机气动性能分析??２．１引言??在风力机运行时，风吹过叶片带动其旋转，风力机因而获得动能。在这个过程中，风??力机的气动性能对风力机运行的影响不可忽略。气动性能好，风力机所能捕获的风动能越??多，它能输出的功率也就越大。同时，风吹过叶片会产生气动噪声，在计算噪声传播之前，??也需要对气动噪声产生的机理作简要分析。对于风电场运行的情况，还需要考虑上游风力??机尾流的影响。??风力机空气动力学和计算声学是风力机设计以及对风力机进行噪声分析的基础，因此??本章采用经典叶素动量理论［３８］对风力机在运行时叶片的受力情况进行分析，进而计算其功??率。在分析风力机尾流时，利用被广泛认可的Ｊｅｎｓｅｎ尾流模型模拟尾流速度常最后，从??理论上阐释了风力机噪声源的产生机理，为噪声传播的计算模拟提供理论基矗??２．２叶素动量理论（ＢＥＭ）??叶素动量理论是分析风力机气动特性的一种经典理论，它结合了一维动量理论和叶素??理论，弥补了动量理论的不足。ＢＥＭ方法是将流场离散化，得到Ｎ个流管单元，任意取??其中一厚度为办的流管单元，如图２－１所示，并假设各流管单元相互独立，互不影响。图??中控制体在风轮平面处的横截面面积是２；ｒ／？分，风轮对该控制体的推力可由积分动量方程??求得：??ｄＴ?—?（ｖ０?—?ｕ｛?）ｄｉｎ?＝?２ｎｒ?ｆｙｕ｛ｙ＾?—?ｕｘ?）ｄｒ?（２．１）??式中，ｖｐ是来流风速；ｗ是紧靠风轮下游处的速度；ｗ／是尾流中的最终速度；Ｐ为空??气密度。??风轮平面广７＼＿＿?一＼??ｍｍ?一＼?＼??／Ｔ?ｉ??图２－１厚度为☆的流管单元??
７???吴鑫波风电场噪声传播的数值模拟研究???作用在该环面上的力矩则可以用动量矩积分方程求到，风轮上游的旋转速度设为０，??尾流的转速设为Ｇ，可得：??ｄＭ?＝?ｒＣ〇ｄｍ?－?Ｉｎｒ１?ｐｕＣ〇ｄｒ?（２．２）??轴向诱导因子〇定义为：??ｕ?—?（１?—?ａ）ｖ〇?（２．３）??在理想风轮中，尾流中的轴向速度Ｗ／可以用轴向诱导因子和风速Ｖｆｌ来表示：??ｕ］?＝?（ｌ－２ａ）ｖ〇?（２．４）??尾流中的转速也可以用切向诱导速度ａ?’表示：??Ｃ０?＝?２ａ＇ｃｏｒ?（２．５）??式中，ｗ为叶片旋转角速度。??把式（２．３）和（２．４）代入（２．１）中，方程（２．３）和（２．５）代入式（２．２）中，可将推力和力矩用轴向诱??导因子＜７和切向诱导因子（／?’表７Ｋ：??ｄＴ?￣?Ａｎｒｐ＼＇ｌａ（＼－ａ）ｄｒ?（２．６）??ｄＭ?＝?Ａｎｒ７＇?ｐｖ＾ｃｏｃｉ?＇（１?—?ａ）ｄｒ?（２．７）??同样的，将叶片沿展向划分成有限个微小的翼型段，这些翼型段被称为叶素，对叶素??进行力的分析，也可以得到推力和扭矩。假设各叶素之间相互独立，互不干扰，各叶素的??受力也仅由单个叶素的气动特性决定｜３９］。叶素截面的受力情况见图２－２。??仆．．Ｖ??Ｖ－?＾??ｃｏｒ（Ｊ?ｍ??１?＾?°ａ?１４轮平面??ｖ〇（ｌ－ａ）?Ｘ??＇Ｖｄ??图２－２叶素受力分析??从图中可以很明显地看出，局部攻角桨距角々和入流角０的关系为：??ａ?＋?６?＝?＜ｐ?（２．８）??叶片截面处的相对风速是由切向速度￣ｒ（／＋ｉ）和轴向速度仰（厂ｃ／）介成得到，Ｗ此：??
【参考文献】：
期刊论文
[1]2018年中国风电吊装容量统计简报[J]. 风能. 2019(04)
[2]全球增暖1.5℃的再思考——写在SR15发表之后[J]. 赵宗慈,罗勇,黄建斌. 气候变化研究进展. 2019(02)
[3]低噪声风力机叶片气动外形优化设计[J]. 汪泉,洪星,杨建忠,王君,孙金风,秦争争. 中国机械工程. 2018(13)
[4]风电场噪声的预测模型[J]. 桂青. 中国资源综合利用. 2017(06)
[5]大型风力机叶片气动噪声研究[J]. 张兆德,张鑫文,徐超. 太阳能学报. 2017(05)
[6]大型风力机气动噪声仿真与分析[J]. 韩宝坤,孙晓东,鲍怀谦,宋明超. 噪声与振动控制. 2016(02)
[7]基于Elman神经网络的风电场噪声预测模型[J]. 魏桢,邓院昌,杨正浩. 水电能源科学. 2015(05)
[8]风力机叶片气动噪声时域分析方法研究[J]. 赵华,周鹏展,张亢,廖力达. 河北科技大学学报. 2015(02)
[9]风力发电机噪声传播的数值仿真[J]. 谢双义,金鑫. 噪声与振动控制. 2014(04)
[10]参数对风力机气动噪声的影响研究[J]. 司海青,王同光,吴晓军. 空气动力学学报. 2014(01)
硕士论文
[1]基于WindPRO的风电场降噪方案设计[D]. 刘清清.新疆大学 2015
[2]水平轴风力机气动噪声的数值模拟及优化[D]. 刘闪闪.华中科技大学 2015
[3]基于LES/FW-H方法预测风力机尾流噪声[D]. 王晓迪.内蒙古工业大学 2010
[4]水平轴风力机气动噪声预测的研究[D]. 李应龙.上海交通大学 2010
本文编号：2933111
【文章来源】：扬州大学江苏省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２我国每年风电新增装机容量及总容量（ＭＷ）??但是，随着风电行业的迅猛发展，风电场的规模不断扩大，由于土地资源稀缺，一些??分散式风电场甚至就布置在居民区内
６???扬州大学硕士学位论文???第二章风力机气动性能分析??２．１引言??在风力机运行时，风吹过叶片带动其旋转，风力机因而获得动能。在这个过程中，风??力机的气动性能对风力机运行的影响不可忽略。气动性能好，风力机所能捕获的风动能越??多，它能输出的功率也就越大。同时，风吹过叶片会产生气动噪声，在计算噪声传播之前，??也需要对气动噪声产生的机理作简要分析。对于风电场运行的情况，还需要考虑上游风力??机尾流的影响。??风力机空气动力学和计算声学是风力机设计以及对风力机进行噪声分析的基础，因此??本章采用经典叶素动量理论［３８］对风力机在运行时叶片的受力情况进行分析，进而计算其功??率。在分析风力机尾流时，利用被广泛认可的Ｊｅｎｓｅｎ尾流模型模拟尾流速度常最后，从??理论上阐释了风力机噪声源的产生机理，为噪声传播的计算模拟提供理论基矗??２．２叶素动量理论（ＢＥＭ）??叶素动量理论是分析风力机气动特性的一种经典理论，它结合了一维动量理论和叶素??理论，弥补了动量理论的不足。ＢＥＭ方法是将流场离散化，得到Ｎ个流管单元，任意取??其中一厚度为办的流管单元，如图２－１所示，并假设各流管单元相互独立，互不影响。图??中控制体在风轮平面处的横截面面积是２；ｒ／？分，风轮对该控制体的推力可由积分动量方程??求得：??ｄＴ?—?（ｖ０?—?ｕ｛?）ｄｉｎ?＝?２ｎｒ?ｆｙｕ｛ｙ＾?—?ｕｘ?）ｄｒ?（２．１）??式中，ｖｐ是来流风速；ｗ是紧靠风轮下游处的速度；ｗ／是尾流中的最终速度；Ｐ为空??气密度。??风轮平面广７＼＿＿?一＼??ｍｍ?一＼?＼??／Ｔ?ｉ??图２－１厚度为☆的流管单元??
７???吴鑫波风电场噪声传播的数值模拟研究???作用在该环面上的力矩则可以用动量矩积分方程求到，风轮上游的旋转速度设为０，??尾流的转速设为Ｇ，可得：??ｄＭ?＝?ｒＣ〇ｄｍ?－?Ｉｎｒ１?ｐｕＣ〇ｄｒ?（２．２）??轴向诱导因子〇定义为：??ｕ?—?（１?—?ａ）ｖ〇?（２．３）??在理想风轮中，尾流中的轴向速度Ｗ／可以用轴向诱导因子和风速Ｖｆｌ来表示：??ｕ］?＝?（ｌ－２ａ）ｖ〇?（２．４）??尾流中的转速也可以用切向诱导速度ａ?’表示：??Ｃ０?＝?２ａ＇ｃｏｒ?（２．５）??式中，ｗ为叶片旋转角速度。??把式（２．３）和（２．４）代入（２．１）中，方程（２．３）和（２．５）代入式（２．２）中，可将推力和力矩用轴向诱??导因子＜７和切向诱导因子（／?’表７Ｋ：??ｄＴ?￣?Ａｎｒｐ＼＇ｌａ（＼－ａ）ｄｒ?（２．６）??ｄＭ?＝?Ａｎｒ７＇?ｐｖ＾ｃｏｃｉ?＇（１?—?ａ）ｄｒ?（２．７）??同样的，将叶片沿展向划分成有限个微小的翼型段，这些翼型段被称为叶素，对叶素??进行力的分析，也可以得到推力和扭矩。假设各叶素之间相互独立，互不干扰，各叶素的??受力也仅由单个叶素的气动特性决定｜３９］。叶素截面的受力情况见图２－２。??仆．．Ｖ??Ｖ－?＾??ｃｏｒ（Ｊ?ｍ??１?＾?°ａ?１４轮平面??ｖ〇（ｌ－ａ）?Ｘ??＇Ｖｄ??图２－２叶素受力分析??从图中可以很明显地看出，局部攻角桨距角々和入流角０的关系为：??ａ?＋?６?＝?＜ｐ?（２．８）??叶片截面处的相对风速是由切向速度￣ｒ（／＋ｉ）和轴向速度仰（厂ｃ／）介成得到，Ｗ此：??
【参考文献】：
期刊论文
[1]2018年中国风电吊装容量统计简报[J]. 风能. 2019(04)
[2]全球增暖1.5℃的再思考——写在SR15发表之后[J]. 赵宗慈,罗勇,黄建斌. 气候变化研究进展. 2019(02)
[3]低噪声风力机叶片气动外形优化设计[J]. 汪泉,洪星,杨建忠,王君,孙金风,秦争争. 中国机械工程. 2018(13)
[4]风电场噪声的预测模型[J]. 桂青. 中国资源综合利用. 2017(06)
[5]大型风力机叶片气动噪声研究[J]. 张兆德,张鑫文,徐超. 太阳能学报. 2017(05)
[6]大型风力机气动噪声仿真与分析[J]. 韩宝坤,孙晓东,鲍怀谦,宋明超. 噪声与振动控制. 2016(02)
[7]基于Elman神经网络的风电场噪声预测模型[J]. 魏桢,邓院昌,杨正浩. 水电能源科学. 2015(05)
[8]风力机叶片气动噪声时域分析方法研究[J]. 赵华,周鹏展,张亢,廖力达. 河北科技大学学报. 2015(02)
[9]风力发电机噪声传播的数值仿真[J]. 谢双义,金鑫. 噪声与振动控制. 2014(04)
[10]参数对风力机气动噪声的影响研究[J]. 司海青,王同光,吴晓军. 空气动力学学报. 2014(01)
硕士论文
[1]基于WindPRO的风电场降噪方案设计[D]. 刘清清.新疆大学 2015
[2]水平轴风力机气动噪声的数值模拟及优化[D]. 刘闪闪.华中科技大学 2015
[3]基于LES/FW-H方法预测风力机尾流噪声[D]. 王晓迪.内蒙古工业大学 2010
[4]水平轴风力机气动噪声预测的研究[D]. 李应龙.上海交通大学 2010
本文编号：2933111
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