第49卷第5期2021年5月
华中科技大学学报（自然科学版）
J. Huazhong Univ. of Sci. & Tech. (Natural Science Edition)
Vol.49 No.5
May 2021
DOI：10.13245/j.hust.210523
李寿图u’b李晔1a’2杨从新l a’b张根豪la’b
(1.兰州理工大学a.能源与动力工程学院，b•甘肃省风力机研究中心，甘肃兰州730050;
2.上海交通大学a.船舶海洋与建筑工程学院，b.海洋工程国家重点实验室，上海200240)
摘要采用大祸模拟和Ffocws-Williams and Hawkings (FW-H)数值模型预测方法，在雷诺数为1.6M〇5条
件下研宄常用和专用垂直轴风力机翼型的单音噪声特性和流场特征.结果表明：翼型单音噪声特征与压力面尾缘处的压力 波动关系密切，压力波动频率越大，单音噪声特征越明显；在相同条件下，对称翼型表面压力功率谱密度要高于 非对称翼型的功率谱密度，噪声声压级也相对较大；翼型最大相对厚度对压力波动功率谱密度有重要影响，相对 厚度越大，表面压力功率谱密度越低，翼型越薄单音噪声特征越明显；翼型最大相对弯度影响单音噪声对应的频 率位置，最大相对弯度的位置越靠近尾缘，单音噪声对应的主频率越低. 关键词垂直轴风力机；气动噪声；翼型•，雷诺数；大涡模拟
中图分类号TK83 文献标志码A 文章编号1671-4512(2021)05-0127-06
Study on tonal noise and flow field characteristics of vertical axis
wind turbine airfoils
LI Sho utu^ LI Vela-2YANG Congxin^b ZHANG Genhaou b
(la. School of Energy and Power Engineering, b. Gansu Provincial Technology Centre for Wind Turbines, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050，China；2a. School of Naval Architecture* Ocean and Civil Engineering, b. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai
Jiao Tong University, Shanghai 200240，China)
Abstract Under the Reynolds number of 1.6><105, the large eddy simulation and Ffocws-Williams and Hawkings (FW-H) model method were used to study the tonal noise and flow field characteristics of the common and dedicated airfoils of vertical axis wind turbine. Results show that the tonal noise characteristics of airfoils are closely related to the pressure fluctuation of the pressure side near the trailing edge, and the greater the pressure fluctuation is» the more obvious the tonal noise characteristic is. Under the same condition，the power spectral density of surface pressure for a symmetrical airfoil is higher than that for an asymmetrical airfoil, and the symmetrical airfoil shows the higher sound pressure level. The maximum relative thickness also greatly affects the power spectral density of surface pressure, and the greater the relative thickness is, the lower the power spectral density of surface pressure is. While a thin airfoil displays the obvious characteristics of tonal noise. The maximum relative camber impacts on the position of the frequency corresponding to the tonal noise* and the closer the position of the maximum relative camber to the trailing edge is, the lower the main frequency corresponding to the tonal noise is.
Key words vertical axis wind turbine；aerodynamic noise；airfoil；Reynold number；large eddy simulation
噪声问题是升力型垂直轴风力机(VAWT)在城 研究了 VAWT远场噪声水平和宽频噪声特性，文献市应用中必须面对的问题[11.文献[2]通过风洞实验 [3]通过数值方法研究了不同叶尖速比和来流湍流
收稿日期2020-10-13.
作者简介李寿图(1982-)，男，博士研宄生，E-mail: ****************.
基金项目国家自然科学基金资助项目（12062012)；甘肃省青年科技基金资助项目（1508RJYA098)；兰州理工大学优秀博 士学位论文培养计划.授益行为
• 128 •华中科技大学学报（自然科学版）第49卷
强度对VAWT噪声水平的影响，但是当前对VAWT 常用和专用翼型气动噪声特性的研究还较少.随着 VAWT发展，VAWT翼型要兼顾气动性能和结构强 度要求，以确保在低雷诺数(穴£>)环境中表现出良好 的气动性能.虽然大量研宄已经揭示了翼型气动噪 声的机理，但是早期翼型方面的研宂基本关注较高 心下薄翼NACA0012的气动噪声性能，而且研究 表明风力机几何参数和工作状态|51(如攻角和雷诺 数)对气动特性有重要影响，特别是小攻角状态下 的翼型单音噪声特性及大地影响气动噪声水平.
为此，本研宄采用大涡模拟(LES)和声类比方法 (FW-H)重点研究VAWT常用对称翼型(NACAOO18 和NACA0021)和专用非对称翼型(DU06-W-200171, MI和LUT|X|)在低小攻角状态下的单音噪声特性 及其
与流场特征之间的关系，为VAWT降噪技术提 供一定的理论参考.
1数值计算方法
将ANSYS fluent平台用于计算翼型流场和气 动噪声特性，翼型气动性能和流场特征的计算利用 LES湍流模型，气动声学特性利用FW-H噪声预测 模型获得.
1.1边界条件设置
图1所示为数值计算的边界条件设置.进口采 用速度进口边界条件，出口采用压力出口边界条 件，来流速度(F J为30 m/s，翼型弦长(c)为0.08 m，网格结构为C型结构网格.垂直于翼型壁面方向上 第一层网格的高度为10 Hm，以满足LES数值计算 要求，边界层内网格增长率为1.05.翼型展向长度 为0.8c，且按照0.8c/32的规律均匀布局.
1.2数值求解条件设置
采用LES湍流模型进行非定常计算，其中，亚格子模型选择WALE，动量空间离散为有界中心差 分格式，瞬态采用二阶隐式求解.时间步长A/=rc/匕，其中时间常数r取为0.01'故本研究的时 间步长为27 ns.利用LES方法获得稳定的流场后，开启FW-H噪声预测模型计算翼型远场噪声特性，参考声压为2x l〇5pa.根据文献[10]，本研究的噪 声监测点设置为：监测点1(0.024，0.095, 0)m在翼型吸力面侧，监测
点2(0.024, -0.095, 0)m在翼 型压力面侧.
1.3数值模拟可靠性验证
LES对垂直于壁面网格具有很高的敏感性.图 2(a)为/?e=1.6x1〇5和攻角a= 6。时不同网格数下 NACA0018翼型表面压力系数(C,,)的数值结果和实 验值对比™，由图2(a)可知：两种网格数下数值计 算结果和实验结果相符，但是在吸力面上当网格节 点为245x295x32时，前缘和尾缘附近数值预测结 果更加接近实验值.图2(b)所示为两种网格数下 NACA0018翼型声压级(P J数值结果，图中/为频 率.如图2(b)所示，数值预测单音噪声的主频率为 1.90 kHz，对应该频率的斯特劳哈尔数(Sr)|U)I为0.125，这和实验获得的单音噪声主频对应的&相 符合"°1，而且数值预测的监测点1和监测点2处声 压级分别为95.95 d B和95.98 dB，实验值为97 dB1"1，声压级预测误差约为1.03%，根据文献[12]的数值结果，该预测误差在合理范围内.因此，利用 LES和FW-H数值方法预测翼型流场和单音噪声是 可靠可行的.
图2 NACA0018翼型数值和实验结
果对比
第5期李寿图，等：垂直轴风力机翼型单音噪声和流场特性研究
• 129 •
Sr=0.113
LUT
在单音噪声特征对应的分范围内™.在0.25
区域，DU 06-W -200, M I 和LUT 翼型的功率谱密度 没有明显主峰值，且功率谱密度小于NACA 0018 和NACA 0021翼型功率谱密度，但是在■S r >0.25 区域LUT 翼型功率谱密度表现出明显波动.总体 来讲，当a = 3°时，只有NACA 0018翼型表现出相 对明显的单音噪声特征，且
在
0.25区域，对称
翼型NACA 0018和NACA 0021的功率谱密度大于非 对称翼型DU 06-W -200, MI 和LUT 的功率谱密度.
2纟n 果与分析
2.1 VAWT 专用和常用翼型单音噪声特性
图3为a = 3°和a = 6°状态下五种VAWT 翼型 在监测点1处的压力波动功率谱密度(//D ).如图3(a ) 所示，ci =3°时NACA 0018翼型功率谱密度主峰值 对应的5V -0.129, NACA 0021翼型功率谱密度主峰 值对应的5>=0.094，且这两个主峰值对应的值均
NACA0018
103106
1〇9
10°
103
106
H T 9
NACA00185r=0.481
S/=0.125
NACA0021
0.062 5
gdp平减指数0.125 0
0.250 0 Sr (a) 〇=3。
图3
1.000 0
0.1250.250
0.500
Sr
(b) cf =6°
1.000
不同攻角下翼型表面压力波动功率谱密度
如图3(b)所示，a = 6°时N A C A 0018翼型在S r =
0.125处存在明显的功率谱密度峰值，且呈现周期
性变化；D U 06-W -200翼型在S r =0.111处也存在明 显的功率谱密度峰值，但周期性较差；而其余三个 翼型无明显的功率谱密度峰值.此外，五个翼型功 率谱密度主峰值对应的&值均在文献[10]给出的单 音噪声对应的S r 范围内，如M I ,
N A C A 0018
和
N A C A 0021
翼型功率谱密度主峰值对应的S r 接近
0.125, D U 06-W -200和L U T
翼型功率谱密度峰值对
应的分均在0.11附近，可见厚度较小的翼型更容 易表现出单音噪声特征.
表1分别为a = 3°和a = 6°时五个翼型在监测 点1和监测点2处的总声压级.如表1所示，当a =
3°时，对称翼型N A C A 0018
和N A C A 0021具有相
近的总声压级，而且对称翼型的总声压级大于非对
表〗监测点处不同翼型总声压级
dB
翼型
«=3°
a=6°
监测点i
监测点2
环球纵横监测点i 监测点2
NACA002186.586.686.886.8NACA001886.886.996.096.0LUT 80.080.379.880.1DU06-W-200
80.380.479.980.1MI
82.1
82.1
81.6
81.5
称翼型的总声压级.随着攻角的增加，当《 = 6° 时，NACA 018翼型出现了明显单音噪声特征，且 总声压级明显增加，而其余四个翼型的总声压级基 本和〇: = 3°时的总声压级一致.结合图3(b )可知: 当a = 3°和a = 6°时，单音噪声对总声压级有重要 影响，且非对称翼型MI , LUT 和DU 06-W -200总 声压级小于对称翼型NACA 0018和NACA 0021总
5r=0.111
5r=0.251
DU06-W-200
Sr=0.443
_1—
議咖
10101010^-
(I-NH • /
//
价
10
10-010-10-101010101010'c
(l N H .A d )/
^
•130.华中科技大学学报（自然科学版）第49卷
声压级.
2.2 VAWT专用和常用翼型流场特性
图4为《= 6°时翼型表面压力波动和流场结 构，其中：最上面部分为沿着弦长方向翼型吸力面 和压力面上的静压对时间偏导的均方根值(A J曲线 图；中间部分为翼型吸力面上涡结构云图，不同颜 代表速度变化，涡结构通过速度梯度张量0准则 表达M3|；最下面部分为z/c=0平面上翼型吸力面转 捩区域附近(黑虚线框区域)流线图，其中，5，和/?，分别代表流体第一次分离点和再附着点，&和2分别代表流体第二次分离点和再附着点.如图4 (a)所示，在j c/c=0.08〜0.51区域，NACA0018翼型吸 力面上存在明显的压力波动，且分别在;c/c=0.23和j c/c=0.38处出现压力波动峰值.吸力面涡结构云图 表明压力波动主要出现在流态转捩区域.在转捩初期，开尔文-亥姆霍兹(KH)不稳定性导致在层流剪 切层产生不稳定涡，如流线分布图所示，在层流边 界层内表现出分离再附着的过程.特别地，大约在 x/c=0.2处沿着叶片展向形成明显的柱状涡结构，且逐渐向流态转捩区发展并消退，此过程中柱状涡 诱导展向涡发生二次不稳定，在边界层区形成不稳 定的分离泡.流体在大约;c/c=0.51位置完全转捩为 湍流边界层，且形成不稳定的卡门涡并向翼型尾 缘方向发展.该结果与文献[10]通过PIV观察到 的NACA0018翼型的流场结果相符；同时，在NACA0018翼型的压力面;c/c=0.6位置出现了明显 压力波动，且越靠近尾缘，压力波动幅值越大，在尾缘处，尾缘涡的形成导致压力波动急剧增加并达 到最大值.与尾缘处吸力面的压力波动相比较，压力面上的压力波动频率更大•
(a) NACA0018
吸力面
'.士而
0.0 0.4 0.8 1.2
(b) N A CA0021
图4a=6°时翼型表面压力波动和流场结构
如图4(b)所示，NACA0021翼型吸力面上明显的 压力波动出现在;c/c=0.13〜0.45区域.与NACA0018 翼型相比较，NACA0021翼型层流波动起始位置远 离前缘，流态转捩过渡区较窄，大约在;c/c=0.45 位置就进入了湍流状态，但是在靠近尾缘处压力面 上的压力波动幅值较大(除尾缘处)，频率较小.类 似的流体状态和发展过程在非对称翼型LUT,DU-W-200和M I中均存在.
与对称翼型NACA0018和NACA0021相比，非对称翼型压力面上压力波动在靠近尾缘处具有明显 的驼峰现象.在翼型尾缘处，对称翼型NACA0018 压力波动最明显，其次是NACA0021翼型，而非 对称翼型MI,LUT和DU06-W-200尾缘处的压力 波动较小.这主要是因为在小攻角状态下，从对称 翼型压力面和吸力面上脱落的涡在尾缘处具有较好的对称性，导致较大波动，这与卡门涡街现象类 似.结合表1结果可知，声压级大小与尾缘处压力 波动频率关系密切.
3翼型几何参数和单音噪声关系
翼型几何参数对其气动性能和气动噪声特性有 重要影响.结合表1内容可知：虽然NACA0018和NACA0021翼型吸力面和压力面上的静压随时间变 化规律相似，但是由于NACA0018翼型具有较小 的前缘半径和相对厚度|141，导致NACA0018翼型的 流态转捩区开始位置更靠近前缘，而且《= 6°时对 称翼型NACA0018和NACA0021压力面上的逆压 梯度导致剪切边界层表现出强烈的不稳定性，因此 NACA0018和NACA002丨翼型的尾缘处均表现出相 对较大的压力波动频率和幅值，特别是NACA
0018
第5期李寿图，等：垂直轴风力机翼型单音噪声和流场特性研宄.131 .
翼型尾缘及尾缘附近压力面上的压力波动较为剧
烈.此外，a = 6°时N A C A0018翼型具有非常明显
的单音噪声特征.
对比a = 3°和a = 6°情况下非对称翼型L U T，
D U06-W-200和M I的噪声特征、表面压力变化规
律和吸力面涡结构云图，如图3(b)所示，随着攻角
的增加，在5V<0.25区域的D U06-W-200翼型出现
明显的功率谱密度峰值，且&符合单音噪声特征，
而L U T和M I翼型的功率谱密度没有明显变化.在
三个非对称翼型中，D U06-W-200翼型相对厚度最小•对比N A C A0018翼型的功率谱密度，同样具
有类似结果，可见翼型的相对厚度对低频区气动噪
声特性有重要影响.然而，在& <0.25的区域的
D U06-W-200翼型功率谱密度主峰值对应的汾•要小
于N A C A0018翼型的功率谱密度主峰值对应的5V.
由翼型气动噪声机理可知，边界层的不稳定性是引
起单音噪声(低频区)的主要原因.对于相对厚度较
小的翼型，随着攻角增加，在翼型吸力面上顺压区
域减小，流体在顺压区域的速度增加相对剧烈，层
流区域及转捩区域边界层的不稳定性也就相对增
加.与N A C A0018翼型比较，D U06-W-200翼型虽
然有弯度，但是弯度很小，而且弯度靠近前缘并具
有较小的前缘半径，这些翼型几何特征一定程度上
缓解了D U06-W-200翼型在顺压区流体的加速，这
也是导致c t == 6°时D U06-W-200翼型的单音噪声特
征没有N A C A0018翼型明显的原因之一.同理，
对比具有相同相对厚度的N A C A0021和M I翼型，
当a = 3°和a = 6°时，较大的前缘半径使得M I翼
型保持较宽的功率谱密度峰值区域，且无明显功率北京卫视最美和声
谱密度峰值.对比两个攻角下功率谱密度峰值对应
的5V，D U06-W-200和L U T翼型功率谱密度峰值对
应的5V低于其余三个翼型的•，可见翼型的弯度
影响最大单音噪声的位置，而且随着最大弯度位置
向尾缘方向的移动，最大单音噪声对应的&值向
低频区移动.
4结论
a.翼型单音噪声特征与压力面尾缘处的压力波动有关，波动频率越大，单音噪声特征越明显.
b.翼型厚度对压力波动功率谱密度有重要影响，翼型相对厚度越大，压力波动的功率谱密度越
低；翼型弯度影响单音噪声对应的&位置，最大
弯度位置越靠近尾缘，最大单音噪声对应的频率
越低.
c.当a = 6°时，N A C A0018翼型的单音噪声特
征明显，功率谱密度最高，其次是N A C A0021翼型，而M I,L U T和D U06-W-200三个翼型的单音
噪声特征没有明显区别.在相同条件下，对称翼型
压力波动功率谱密度要高于非对称翼型的功率谱密
度，且对称翼型的总声压级要大于非对称翼型的总
声压级.
列藏本
参考文献
[1] MOLLERSTORM E, GIPE P, BEURSKENS J, etal.
A historical review of vertical axis wind turbines rated
100 kW and above[J]. Renewable and Sustainable Ener
gy Reviews, 2019, 105(5)：1-13.
[2] BOTHA J D M, SHAHROKI A, RICE H. An imple
mentation of an aeroacoustic prediction model for broad
band noise from a vertical axis wind turbine using a CFD
informed methodology[J]. Journal of Sound and Vibra
tion, 2017, 410：389-415.
[3] SU J, LEI H, ZHOU D, et al. Aerodynamic noise as
sessment for a vertical axis wind turbine using improved
delayed detached eddy simulation[J]. Renewable Ener
gy, 2019, 141(11)：559-569.
[4]张旭耀，杨从新，李寿图.基于转捩模型的垂直
轴风力机气动特性研宄[J].华中科技大学学报(自然科
学版)，2018, 46(2): 17-22.
[5]赵永生，杨建民，何炎平，等.张力腿式浮动风力机
极限载荷分析m.华中科技大学学报（自然科学版)，
2015, 43(4)：113-117.
[6] DESQUESNESG, TERRACOL M, SAGAUT P. Nu
merical investigation of the tone noise mechanism over
laminar airfoils[J]. Journal of Fluid Mechanics* 2007,
591：155-182.
[7] FERREIRA C S, GEURTS B. Aerofoil optimization
for vertical-axis wind turbines[J]. Wind Energy* 2015 ,
18(8)：1371-1385.
[8] LI S, LI Y, YANG C, et al. Experimental and numeri
cal investigation of the influence of roughness and turbu
msn explorer
lence on LUT airfoil performance [J]. Acta Mechanica Si-
nica, 2019, 35(6)：1178-1190.
[9] LI C, ZHU S, XU Y, et al. 2.5D large eddy simula
tion of vertical axis wind turbine in consideration of high
angle of attack flow[J]. Renewable Energy，2013，51:
317-330.
[10] NAKANO T, FUJISAWA N, OGUMA Y, et al. Ex
perimental study on flow and noise characteristics of NA-
CA0018 airfoil[J]. Journal of Wind Engineering and In
dustrial Aerodynamics, 2007, 95(7)：511-531.
[11] NAKANO T, FUJISAWA N, LEES. Measurement of
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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