文|任旺，李成良，毛晓娥，周捍珑，金子博

伴随着风电机组趋于大型化，风电机组产生的气动噪声对附近居民的生活造成了较大的影响。目前，低噪声设计已经成为风电机组的关键技术指标之一。风力发电的噪声主要有机械噪声和气动噪声。随着近年来机械噪声的大幅度降低，气动噪声的解决便成了现阶段风电机组噪声研究的方向。风电机组气动噪声主要包括入流风轮扰动、塔架扰动、叶尖涡流、叶片后缘分离及边界层分离等。由于在一定工况下后缘分离噪声在叶片噪声中占主导地位，因此，深入研究后缘厚度变化对噪声影响的机理，对低噪声叶片设计时翼型的选择具有重要意义。

本文对原始DU91-W2-250翼型以及变后缘厚度翼型附近的流场进行了LES数值模拟，并在此基础上采用FW-H积分方法数值求解了原始翼型以及变厚度翼型的远场噪声，分析了后缘厚度变化对噪声影响的机理。计算结果表明，后缘厚度减小能够更有效地改善翼型尾缘涡脱落的情况，降低翼型气动噪声水平。

声类比混合计算方法和FW-H方法

声类比混合计算方法的特点在于流场和声场计算是分离的，声场计算可根据气动声学理论在流场计算的后处理中完成。远声场可利用已得到的声源域的数据，通过积分方法或者别的数值方法求解声类比方程得到，该方法是基于流场到声场的单向耦合，即非定常流动产生声波并改变其传播，但声波对流场却没有显著的影响。

应用该方法进行气动噪声预测时，在获得近场流动解的基础上，将近场流动解作为声源信号，运用FW-H公式积分求得远场观测点的气动噪声。Ffowes和Hawkings应用广义函数法解决了流体中任意运动发声的问题，得到一个较为普适的方程——FW-H方程：

式中，ρ为流体密度；ρ∞为无穷远处流体密度；为观察区某一均匀介质的平均速度。Tij为Lighthill张量，其公式为：

引入流体变量的分解量：

式中，ρ0和p0分别为未受扰动时流体的密度和流场压强的均值；ρ'和p'分别为流体密度和流场压强的波动量。

引入Heaviside广义函数：

式（1）FW-H方程右边三项表示主要类型的声辐射源：第一项是流体本身湍流引起的四极子声源；第二项是施加在物体表面的力引起的偶极子声源；第三项是进入流体中的非稳定质量流引起的单极子声源。

DU91-W2-250翼型气动噪声数值计算

由于叶片的气动噪声主要集中在叶尖部分，这部分的翼型都是薄翼型，根据对业内主要型号叶片翼型的调研，在满足薄翼型和具有后缘厚度的前提下，选取DU91-W2-250翼型作为研究对象。

一、计算模型与计算网格

在本计算中，使用POINTWISE进行网格划分，翼型弦长为1.76m，雷诺数为6E6，马赫数为0.15，计算域为圆形区域，计算域尺寸为翼型弦长的100倍，翼型位于计算域中心，采用结构化网格，网格量为20万，第一层近壁面网格高度为5e-5m，y+<1。

本文计算采用了三个后缘厚度的翼型，原始翼型是DU91-W2-250，其后缘厚度是12mm，另外两个翼型在原始翼型的基础上进行厚度调整。调整方法为：利用Q-bladed在保证PS面不变的基础上调整SS面尾缘部分，改变后缘厚度，使其厚度分别为0mm和20mm。三种翼型分别称为Ori-foil、Thin-foil、Thick-foil（下同），几何模型及网格示意图如图1－图4所示。

图1 外场计算域示意图

图2 Ori-foil近壁面网格分布

图3 Thin-foil近壁面网格分布

图4 Thick-foil近壁面网格分布

二、流场计算结果及分析

计算的来流条件为：马赫数为0.15，攻角为0°。使用FLUENT进行流场计算。

首先，利用K-W sst模型进行稳态计算，通过10000步时间步，获得稳定的流场。非定常计算采用LES方法，时间步长为t＝5e-5s。根据香农采样定理可知，该时间步长可以捕捉到的最大频率为fmax＝1/（2t）＝ 10kHz。总共记录的声源数据时间步数为n＝5000步，声源记录时间为t＝t.n＝0.25s，因此经过FFT的声压级频谱曲线频率的分辨率为f＝ 1/t＝ 4Hz。

（一）流场压力特性

不同后缘厚度翼型流场中，观察翼型表面，特别是尾缘部分的压力特性，Cp为翼型表面压力系数。

由图5可知，后缘厚度的改变引起了翼型后缘部分的压力分布变化。在下翼面，后缘厚度改变导致靠近尾缘部分的压力系数减小，压力分布也更加均匀，这主要是由于后缘部分的涡脱落情况减轻，导致尾缘部分流场的一致性更好。

（二）流场涡量特性

在不同后缘厚度翼型流场中，观察翼型附近流场，特别是尾缘部分的涡量分布。

攻角为0°时，各翼型表面压力系数分布情况如图6所示。

由图6可以看到，后缘厚度的改变影响了翼型表面的涡量分布（主要是尾缘涡量）。可以看到当后缘厚度增大时，靠近尾缘的涡核能量增大，但是脱落涡的涡核能量减小；当后缘厚度减小时，后缘脱落涡分布密度下降。

图5 流场压力分布

图6 流场涡量分布

图7 测量点位置示意图

图8 Ori-foil频谱特性

表1 各监测点总噪声声压级水平

三、仿真声场特性分析

（一）原始翼型频谱特性

马赫数为0.15，四个测量点分别分布在翼型的四个方位（图7），测量点坐标分别为R1（0，-17.6，0）、R2（0，17.6，0）、R3（17.6，0，0）及 R4（-17.6，0，0），测量点位处的频谱特性曲线如图8所示。

由图8可知，翼型频谱特性呈现出低频特性，噪声能量峰值出现在低频部分70～100Hz。翼型噪声在上下翼面的位置表现得更为明显，即R1、R2两个监测点，这和表1中各监测点的总噪声声压级水平也是吻合的。

（二）翼型频谱特性对比分析

由图8及表1可知，监测点R1、R2位置处翼型噪声表征更为明显，故对不同后缘厚度的翼型在R1、R2观测点处的频谱特性与声压级水平进行对比分析。

由图9、10及表2可知，翼型后缘厚度的改变引起噪声声压级水平的下降。在噪声频谱图里可以看到后缘厚度改变后，噪声峰值频率明显增大，从70～100Hz变为350～400Hz。在低频部分，后缘厚度的变化会引起噪声的增加，但峰值没有超过原始翼型；当厚度减小时，低频部分噪声的增幅更明显；在高频部分，后缘厚度的改变明显降低了噪声幅值，这主要是由翼型表面，特别是尾缘部分的表面脉动压力频率的下降所致。结合翼型流场涡量图可以发现，噪声水平和尾缘实际流动关系密切，尾缘涡量的脱落密度、涡核能量密度直接影响了声压级水平。

图9 R1处各翼型噪声频谱特性

图10 R2处各翼型噪声频谱特性

图11 升阻力曲线

表2 R1/R2处各翼型噪声声压级水平

在噪声声压级水平方面，在监测点R1处，Thick翼型相较于原始翼型，噪声下降8dB，Thin翼型下降约10dB；在监测点R2处，Thick翼型相较于原始翼型，噪声下降7.5dB，Thin翼型下降约9.3dB。

翼型气动性能变化

由于叶片设计时，不仅要考虑翼型噪声表现，还要特别注意翼型的气动性能表现。故通过Rfoil对三种不同厚度翼型的气动性能进行计算，并对升阻比的计算结果进行对比分析。

由图11可以明显发现：翼型尾缘厚度减小后，升阻力在失速前的表现明显变好，Cl/Cdmax相对于原始翼型从153增大到163，失速后的表现和原始翼型基本一致；后缘厚度增大后，翼型失速前性能下降明显，Cl/Cdmax相对于原始翼型，从153降低为143，在8.5°～11.5°范围内失速性能较原始翼型稍微有所提升。

总结

通过对DU91-W2-250翼型进行流场及声场的仿真计算发现，翼型后缘厚度变化后，噪声峰值频率明显增大，从70～100Hz变为350～400Hz。在低频部分，噪声有所增加，但峰值没有超过原始翼型，厚度减小后，低频部分噪声的增幅更明显；在高频部分，后缘厚度的改变明显降低了噪声幅值。在降低噪声声压级水平上，后缘厚度减小明显大于后缘厚度增大。此外，翼型后缘厚度的变化明显影响了翼型的气动性能，翼型尾缘厚度减小后，升阻力在失速前的表现明显变好；后缘厚度增大后，翼型失速前性能下降明显。

综上所述，在设计翼型时，后缘厚度越薄越好。当然在具体设计时还应该结合结构与工艺的可实现性。