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風力機氣動噪聲 版權信息
- ISBN：9787030726773
- 條形碼：9787030726773 ; 978-7-03-072677-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
風力機氣動噪聲 內容簡介
風力機氣動噪聲的研究領域包含了空氣動力學、氣動聲學和大氣聲傳播，研究對象包含了翼型、風力機和風電場。本書圍繞上述關鍵基礎知識、原理概念和工程應用逐一展開。本書共分十一章：**至八章涵蓋了理論部分，包含聲學基礎、聲學方程和流體方程的推導及離散、風力機氣動和噪聲的計算方法；第九至十一章為實踐應用部分，依次介紹了基本算例、翼型、風力機和風電場尺度的仿真算例。
風力機氣動噪聲 目錄
目錄
前言
上篇
基礎理論
**章緒論003
1.1研究背景003
1.2風力機氣動噪聲研究現狀006
1.2.1氣動噪聲的高精度數值模擬研究006
1.2.2氣動噪聲的工程模擬研究007
1.3風電場低噪聲布局研究現狀008
第二章聲學基礎012
2.1引言012
2.2聲場中的變量012
2.3基礎定義013
2.3.1聲壓013
2.3.2聲壓級014
2.3.3聲強和聲功率014
2.3.4倍頻程016
第三章計算氣動聲學高階差分格式020
3.1引言020
3.2空間離散格式021
3.2.1高階顯式差分格式及優化021
3.2.2高階緊致差分格式及優化026
3.2.3非均勻網格030
3.3時間離散032
3.4數值過濾和人工耗散037
3.4.1顯式過濾037
3.4.2隱式過濾039
3.4.3人工阻尼區域039
3.5聲學邊界條件040
3.5.1固體壁面邊界條件040
3.5.2聲學遠場邊界條件042
第四章流動控制方程047
4.1引言047
4.2流動基本控制方程047
4.2.1流動與變形的基本概念047
4.2.2連續方程的微分形式——質量守恒定律052
4.2.3動量方程的微分形式——牛頓第二定律054
4.2.4歐拉方程——無黏微分方程056
4.2.5納維斯托克斯方程——黏性微分方程056
4.2.6能量方程微分形式——熱力學**定律059
第五章氣動聲學控制方程060
5.1引言060
5.2湍流模型在CAA中的應用060
5.3Lighthill方程062
5.4FfowcsWilliams-Hawkings方程064
5.5Farassat方程066
5.6聲擾動方程069
第六章風力機氣動力與流場的計算方法074
6.1引言074
6.2風力機葉素動量理論074
6.2.1理想狀態下的動量守恒關系074
6.2.2尾流的旋轉與切向誘導因子077
6.2.3葉素動量BEM基礎理論081
6.2.4葉尖損失084
6.2.5高軸向誘導因子修正088
6.3葉片相對坐標系與非穩態氣動模型090
6.3.1關于非穩態氣動模型的介紹090
6.3.2慣性坐標系與葉片坐標系的變換090
6.3.3葉片坐標系中的相對來流速度094
6.3.4誘導速度095
6.3.5塔影與風切的影響098
6.3.6關于風力機氣動建模的小結099
6.4風力機尾流工程算法099
6.5風力機尾流AL/AD數值方法101
第七章風力機氣動聲源解析與工程模擬方法105
7.1引言105
7.2湍流入流噪聲106
7.2.1湍流強度與特征尺度106
7.2.2湍流入流噪聲109
7.3翼型尾緣湍流邊界層噪聲109
7.4翼型尾緣層流邊界層渦脫噪聲113
7.5葉尖渦噪聲114
7.6鈍尾緣渦脫落噪聲115
7.7聲指向119
7.8邊界層厚度119
7.9其他模擬方法121
7.9.1Amiet模型121
7.9.2壁面壓力譜(WPS)的統一模型122
7.9.3改進的TNO模型125
第八章風電場大氣聲傳播計算方法126
8.1引言126
8.2風力機大氣聲傳播的要素127
8.2.1問題概述127
8.2.2直線聲傳播與地面聲反射128
8.2.3地面聲阻抗與反射系數129
8.2.4大氣中的聲波折射131
8.2.5等效聲速136
8.2.6聲波在湍流中的傳播效應137
8.3拋物方程建模方法138
8.3.1建模目標138
8.3.2基礎方程138
8.3.3窄角拋物方程140
8.3.4寬角拋物方程141
8.3.5拋物方程的離散化求解141
8.3.6廣義地形下的方程變換144
8.3.7流場因素145
下篇實踐應用
第九章基本算例149
9.1引言149
9.2一維波動方程149
9.3二維聲傳播計算151
9.4雙旋渦噪聲計算155
9.5圓柱繞流噪聲計算157
第十章翼型及風力機氣動噪聲166
10.1引言166
10.2基于CAA方法的翼型氣動噪聲模擬166
10.2.1翼型低雷諾數氣動噪聲166
10.2.2翼型湍流氣動噪聲170
10.2.3鋸齒尾翼噪聲數值計算173
10.2.4多孔介質降噪設計鋸齒尾翼噪聲數值計算185
10.3基于其他方法的翼型氣動噪聲模擬199
10.3.1BPM半經驗工程方法199
10.3.2WPS壁面壓力譜方法210
10.3.3低噪聲翼型設計213
10.4風力機氣動噪聲預測219
10.4.1基于CFD/CAA的葉片噪聲仿真219
10.4.2基于工程方法的噪聲仿真與實驗驗證222
第十一章風電場氣動噪聲傳播計算234
11.1引言234
11.2基礎算例234
11.2.1平面聲傳播——理想狀況234
11.2.2平面聲傳播——考慮溫差梯度235
11.2.3平面聲傳播——考慮風速237
11.2.4繞單個山丘聲傳播238
11.2.5簡化的復雜地形聲傳播238
11.3風力機的聲傳播240
11.3.1單臺和多臺串列風力機的聲傳播240
11.3.2大氣穩定性、尾流以及風切的綜合效應247
11.4平坦地形風電場噪聲預測251
11.4.1算例1：風電場環境噪聲評估251
11.4.2算例2：風電場低噪聲優化布局254
11.5復雜地形風電場噪聲傳播263
11.5.1算例1：山地風電場噪聲云圖仿真263
11.5.2算例2：山地風電場噪聲云圖仿真271
參考文獻285
附錄A各國風電噪聲限值標準297
附錄B高階差分系數298
前言
上篇
基礎理論
**章緒論003
1.1研究背景003
1.2風力機氣動噪聲研究現狀006
1.2.1氣動噪聲的高精度數值模擬研究006
1.2.2氣動噪聲的工程模擬研究007
1.3風電場低噪聲布局研究現狀008
第二章聲學基礎012
2.1引言012
2.2聲場中的變量012
2.3基礎定義013
2.3.1聲壓013
2.3.2聲壓級014
2.3.3聲強和聲功率014
2.3.4倍頻程016
第三章計算氣動聲學高階差分格式020
3.1引言020
3.2空間離散格式021
3.2.1高階顯式差分格式及優化021
3.2.2高階緊致差分格式及優化026
3.2.3非均勻網格030
3.3時間離散032
3.4數值過濾和人工耗散037
3.4.1顯式過濾037
3.4.2隱式過濾039
3.4.3人工阻尼區域039
3.5聲學邊界條件040
3.5.1固體壁面邊界條件040
3.5.2聲學遠場邊界條件042
第四章流動控制方程047
4.1引言047
4.2流動基本控制方程047
4.2.1流動與變形的基本概念047
4.2.2連續方程的微分形式——質量守恒定律052
4.2.3動量方程的微分形式——牛頓第二定律054
4.2.4歐拉方程——無黏微分方程056
4.2.5納維斯托克斯方程——黏性微分方程056
4.2.6能量方程微分形式——熱力學**定律059
第五章氣動聲學控制方程060
5.1引言060
5.2湍流模型在CAA中的應用060
5.3Lighthill方程062
5.4FfowcsWilliams-Hawkings方程064
5.5Farassat方程066
5.6聲擾動方程069
第六章風力機氣動力與流場的計算方法074
6.1引言074
6.2風力機葉素動量理論074
6.2.1理想狀態下的動量守恒關系074
6.2.2尾流的旋轉與切向誘導因子077
6.2.3葉素動量BEM基礎理論081
6.2.4葉尖損失084
6.2.5高軸向誘導因子修正088
6.3葉片相對坐標系與非穩態氣動模型090
6.3.1關于非穩態氣動模型的介紹090
6.3.2慣性坐標系與葉片坐標系的變換090
6.3.3葉片坐標系中的相對來流速度094
6.3.4誘導速度095
6.3.5塔影與風切的影響098
6.3.6關于風力機氣動建模的小結099
6.4風力機尾流工程算法099
6.5風力機尾流AL/AD數值方法101
第七章風力機氣動聲源解析與工程模擬方法105
7.1引言105
7.2湍流入流噪聲106
7.2.1湍流強度與特征尺度106
7.2.2湍流入流噪聲109
7.3翼型尾緣湍流邊界層噪聲109
7.4翼型尾緣層流邊界層渦脫噪聲113
7.5葉尖渦噪聲114
7.6鈍尾緣渦脫落噪聲115
7.7聲指向119
7.8邊界層厚度119
7.9其他模擬方法121
7.9.1Amiet模型121
7.9.2壁面壓力譜(WPS)的統一模型122
7.9.3改進的TNO模型125
第八章風電場大氣聲傳播計算方法126
8.1引言126
8.2風力機大氣聲傳播的要素127
8.2.1問題概述127
8.2.2直線聲傳播與地面聲反射128
8.2.3地面聲阻抗與反射系數129
8.2.4大氣中的聲波折射131
8.2.5等效聲速136
8.2.6聲波在湍流中的傳播效應137
8.3拋物方程建模方法138
8.3.1建模目標138
8.3.2基礎方程138
8.3.3窄角拋物方程140
8.3.4寬角拋物方程141
8.3.5拋物方程的離散化求解141
8.3.6廣義地形下的方程變換144
8.3.7流場因素145
下篇實踐應用
第九章基本算例149
9.1引言149
9.2一維波動方程149
9.3二維聲傳播計算151
9.4雙旋渦噪聲計算155
9.5圓柱繞流噪聲計算157
第十章翼型及風力機氣動噪聲166
10.1引言166
10.2基于CAA方法的翼型氣動噪聲模擬166
10.2.1翼型低雷諾數氣動噪聲166
10.2.2翼型湍流氣動噪聲170
10.2.3鋸齒尾翼噪聲數值計算173
10.2.4多孔介質降噪設計鋸齒尾翼噪聲數值計算185
10.3基于其他方法的翼型氣動噪聲模擬199
10.3.1BPM半經驗工程方法199
10.3.2WPS壁面壓力譜方法210
10.3.3低噪聲翼型設計213
10.4風力機氣動噪聲預測219
10.4.1基于CFD/CAA的葉片噪聲仿真219
10.4.2基于工程方法的噪聲仿真與實驗驗證222
第十一章風電場氣動噪聲傳播計算234
11.1引言234
11.2基礎算例234
11.2.1平面聲傳播——理想狀況234
11.2.2平面聲傳播——考慮溫差梯度235
11.2.3平面聲傳播——考慮風速237
11.2.4繞單個山丘聲傳播238
11.2.5簡化的復雜地形聲傳播238
11.3風力機的聲傳播240
11.3.1單臺和多臺串列風力機的聲傳播240
11.3.2大氣穩定性、尾流以及風切的綜合效應247
11.4平坦地形風電場噪聲預測251
11.4.1算例1：風電場環境噪聲評估251
11.4.2算例2：風電場低噪聲優化布局254
11.5復雜地形風電場噪聲傳播263
11.5.1算例1：山地風電場噪聲云圖仿真263
11.5.2算例2：山地風電場噪聲云圖仿真271
參考文獻285
附錄A各國風電噪聲限值標準297
附錄B高階差分系數298
展開全部
風力機氣動噪聲 節選
**章緒論 1.1研究背景 我國風電裝機已占全球總量四分之一，并保持持續增長。風電已成為我國能源可持續發展的戰略性產業，在21世紀內的發展前景廣闊而確定。盡管風能是眾所周知的清潔能源，在大力推廣風能的同時，對其可能產生的負面效應仍需要積極應對，提前做要相關的預期評估。無論從影響身心健康和風電被社會廣泛接納的角度看，研究風電噪聲對環境的影響是十分必要的。 近年來，大型兆瓦級風力機不斷創新，大尺寸風力機葉片的噪聲控制面臨新的挑戰。關于風電噪聲控制，首先應了解風力機噪聲定級的相關標準。歐洲人口密度和風電普及應用率都較高，因此制定了相對比較嚴格的風電行業噪聲標準［1］。例如，丹麥的風電開發較早，相應的噪聲限值也比較詳盡［2］，在10m高度，對應風速6m/s時的*高噪聲限值為42dB(A)；對應風速8m/s時的噪聲不能超過44dB(A)。對應2種風速，在人口稠密住宅區的限值為37dB(A)和39dB(A)。其中dB表示分貝(decibel， dB)，A表示針對人耳聽力敏感性的A計權級算法。由于低頻噪聲傳播范圍遠的特征，針對低頻噪聲(10～160Hz)的標準更為嚴苛，在風力機所在地附近的室內測量的低頻區噪聲不能超過20dB(A)［3］。在德國，政府建議風力機安裝在離居住地區750m至1000m外。住宅區夜間噪聲應低于35dB(A)，郊區噪聲低于45dB(A)［4］。作為風電發展大國，我國對風電噪聲也先后制定了比較詳盡的規范［5，6］。從0類地區到4類地區，夜間噪聲基礎限值為40～55dB(A)，白天為50～65dB(A)。以上噪聲的測定都有標準的方法，測量距離大致在2～3個葉輪直徑范圍。因此，該標準是針對風力機近場噪聲源而制定的，其直接原因是便于規范化測量和鑒定。目前*新的IEC風力發電機組噪聲測量技術標準已經更新為3.1版本［7］。由于遠距離風力機噪聲的傳播存在諸多因素的影響，因此很難制定一個量化標準。然而風力機噪聲的傳播空間往往延伸到數千米距離，多臺風力機噪聲傳播經過特定的地形和氣象條件疊加并達到鄰近的住宅區，將很難預測。考慮到電能傳輸損失和道路安裝等便利，不少風電場建設在距離居民區數百米附近。一般而言，不經過低噪聲葉片設計和噪聲傳播預測和評估，由此帶來的噪聲困擾或多或少會很難避免。健康問題雖然遠遠超出了本書的研究范疇，但是對風力機噪聲傳播的深入研究也許可以在不久的未來降低不必要的健康風險。風電發展受噪聲輻射的強烈制約已經不是預言，而是當前的嚴峻事實，居安思危，從科學角度分析和解決風電噪聲問題是護航綠色風電長遠發展的保障。 風力機氣動噪聲源的數值模擬研究是對風力機空氣動力學、計算流體力學與計算聲學綜合研究，目前國內外這方面的深入研究主要集中在氣動噪聲源的數值模擬和實驗研究方向。而風電場全耦合的遠場噪聲數值化求解需要結合氣動噪聲源的研究與遠距離傳播之間的復雜耦合關系。本章分別闡述氣動噪聲的計算方法和風力機噪聲傳播的研究現狀。圖1.1列舉了與風力機氣動噪聲研究關聯的若干交叉方向。風力機氣動噪聲本身屬于氣動聲學的應用方向之一，本書的上半篇基礎理論部分涉及聲學、計算流體力學、計算氣動聲學、大氣湍流和大氣聲傳播等，同時本書還講解了風力機空氣動力學方面的基礎理論，這對于氣動聲學與風力機的結合至關重要。此外，關于流動測量和聲學測量本書未作重點介紹，在下半篇中的算例講解中包含了部分測量相關內容。 圖1.1風力機氣動噪聲研究相關交叉領域從圖1.1中看到，風力機氣動彈性問題也可能成為氣動聲學研究的交叉點，其實不僅是風力機，許多旋轉機械彈性變形引起的振動噪聲和氣動噪聲具有強關聯性。氣動彈性是值得深入探討的重要研究課題，受限于本書的內容篇幅，在風力機氣彈和結構設計方向不做具體的介紹，感興趣的讀者可以參考相關文獻［8］～［10］。大型風力機葉片具有細長而柔性的外形和結構特征，正常運行狀態下由氣彈變形引起的噪聲頻率和振幅的變化要遠小于直升機、船舶螺旋槳等大剛度旋翼產生的振動以及結構聲傳播。 從風力機氣動、彈性和噪聲研究的全局視角看待風力機氣動噪聲的研究，如圖1.2所描述的耦合關系，自上而下，非穩定來流(inflow)是風力機非穩態氣動力、氣動噪聲及彈性變形的主要誘因。其中流體模塊(flow sover)和結構模塊(structure model)是雙向耦合關系，即形成流固耦合求解器。而對于低速流動而言，氣動噪聲模塊(acoustic model)與流體模塊可以認為是單向傳遞關系，即流體的解作為輸入提供聲學解算，而聲場對流場無反饋作用機制。同時，結構模塊與氣動噪聲模塊也存在關聯性。針對求解的對象，例如風力機或者風電場，采用的求解方法可以多樣化。如流程圖中所示，對于風電場計算可以采用致動線(actuator line， AL)、致動盤(actuator disc， AD)、致動面(actuator surface， AS)、浸入邊界(immersed boundary， IB)等多種方法。*后，由智慧伺服控制貫穿氣動、彈性和噪聲模塊，構成智慧風電的理想形態(smart wind energy)。 圖1.2氣動、彈性和噪聲的關聯性1.2風力機氣動噪聲研究現狀 1.2.1氣動噪聲的高精度數值模擬研究 近代計算氣動聲學(computational aero-acoustics， CAA)的發展建立在高性能計算機不斷發展的基礎上。在數值計算領域，計算流體動力學(computational fluid dynamics， CFD)和CAA有著許多共性，自20世紀90年代開始，CAA 逐漸成為一門獨立研究的領域。CAA計算對象是微弱的聲壓，舉例而言，強度94dB的噪聲約相當于10-5的標準大氣壓，這是可以損害人類聽覺系統的聲壓等級。CAA面臨的**個難題是要求解比流場壓力小數萬量級的壓力脈動；第二個難題是對于高頻率聲波的計算需要大量增加網格密度和采用低色散高階差分格式。 1962年，Lighthill［11］提出著名的聲比擬方法，標志著近代計算氣動聲學研究的開始。至今，該方法仍然得到廣泛應用并不斷由其他學者提出新的改進。*初的Lighthill理論應用對象是湍流射流噪聲，如飛機的渦輪噴氣出口噪聲計算。Curle提出的理論方法則可以處理具有實體邊界的噪聲問題［12］，Ffowcs等［13］將該方法進一步拓展到可以處理任意移動的實體邊界。這一方法現廣泛存在于旋轉機械的氣動噪聲計算中，如渦輪機、直升機、風力機等葉片的氣動噪聲源模擬。其優點是相對其他CAA方法，消耗計算資源較少，不足之處是對近物體處噪聲產生機理研究有局限性。 直接數值模擬(direct numerical simulation， DNS)方法理論上也是*精確的CAA模擬方法。通過直接求解可壓縮NS方程，同時可以求解流體動壓和脈動聲壓。在對二維圓柱繞流問題的聲學研究中，Inoue［14］采用了DNS直接求解可壓縮NS方程，雷諾數局限在200以內，其計算結果和采用Curle 方法差別極小。盡管計算機技術的發展日新月異，DNS方法在高雷諾數湍流計算中的應用還有待時日。與流速和聲速關聯的馬赫數一般在0.1到0.3之間不等(以風力機為例)，采用同樣的時間差分格式，CAA的計算步長需小于CFD的3～10倍。通常在計算過程中為了采集足夠長時間的脈動聲壓，還需要進行長時間的運算。 Hardin等［15］于1994年提出了流場和聲場分割計算的方法(flow acoustic splitting technique， FAST)。至此，CAA在計算時間和計算精度上找到了一種相對的平衡。對于Hardin理論的改良，沈文忠等提出對聲學方程源項的修改［16，17］。針對收斂的不穩定性，Ewert等［18］和Seo等［19］也基于原聲學方程作出了修改。FAST方法的核心是把可壓縮NS方程分離成不可壓縮NS流體方程和聲學方程并同時求解。 CAA計算需要的關鍵技術方法是高精度的時空差分格式。基于經典的有限差分方法(finite difference method， FDM)， Tam等提出了針對CAA求解特點的低色散
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