近年来，随着国内风能资源不断被开发利用，由此产生的环境问题引起人们的高度重视，例如，风力机噪声问题。叶片是风力机的主要零件，同时也是引起气动噪声最重要的噪声源，故对叶片绕流流动和气动噪声进行研究有着重要意义。风力机噪声分为通风设备噪声、机械噪声以及空气动力噪声等，其中主要噪声源是空气动力噪声。空气动力噪声是由叶片与空气的相互作用导致，它的大小关系到叶片的风速和叶片气动性能。目前有降噪要求的应用场合很多，但降噪技术发展过程趋于迟缓，某些常规气动噪声控制技术应用难度日益增大。因此近年来将仿生学运用于降噪技术的研究日益增加，且成效显著。

Howe^［1］运用数学分析方法，从理论上预测降噪效果，为叶片尾缘锯齿降噪的研究提供了理论依据。1989年，Brooks等^［2］在叶片上做吹风试验，并对试验数据进行了分析，发现叶片噪声的物理机制有5种：湍流边界层噪声、层流边界层噪声、分离噪声、钝体噪声、叶尖噪声。根据Powell^［3］发表于1964年的“涡声理论”，湍流边界层流动噪声各分量可划分为：叶片表面单极子噪声、叶片表面偶极子噪声、流场空间偶极子噪声与流场空间四极子噪声。陈伟杰等^［4］通过实验研究不同来流雷诺数攻角下波状前缘叶片诱发边界层不稳定噪声的变化规律。结果表明：在攻角0°～5°范围内，波状前缘对边界层内的不稳定噪声有良好的抑制作用，降噪量约可达30 dB。陈伟杰等^［5］通过提取长耳鸮翅膀前缘非光滑几何结构，设计了新的仿生叶片，并将其应用于轴流风机中。结果表明：前缘锯齿结构的轴流风机叶片降噪效果显著，特别是在50～2 000 Hz频率段内降噪量高达2.3 dB；前缘锯齿结构的降噪机理为前缘锯齿结构可以通过减小叶片表面附面层的压力脉动，减少尾缘涡脱落，使绕流流场更加顺畅。孙贵洋^［6］采用NACA0018翼型作为原始叶片，将凹凸的几何结构布置于其前缘位置，并进行了数值模拟。结果表明，当频率低于2 000 Hz时，凹凸前缘结构能有效减小窄带尖峰的峰值，最多能减小30 dB，且在高频段内可以显著降低噪声。在几种波形结构中，在叶片上叠加波形结构时降噪效果最为显著。小攻角时该结构具有较好的降噪效果，而在大攻角时，声压级反而会增加。姚伟伟^［7］采用NACA4412翼型作为基本翼型，利用数值模拟方法分析了非光滑鸮翼前缘结构对风力发电机叶片气动性能的影响。结果表明：大攻角时，仿生非光滑前缘风力机叶片能有效提高风力机叶片的气动性能，同时叶尖速比较大时，风能利用系数亦增加17.7%。魏建晖^［8］以NACA4412翼型风力机叶片作为标准叶片，提取鸮翼末端羽毛锯齿结构，设计了9组尾缘锯齿结构仿生叶片并对其进行声学计算。结果表明：尾缘锯齿结构可有效降低水平轴风力机叶片噪声，降噪量在2.52 ～ 9.75 dB之间，且该结构以锯齿高度为16 mm、锯齿宽度为6 mm及70%弦长布置时降噪量最大，其中锯齿宽度对气动噪声有较大的影响，且噪声降低量随锯齿宽度增加而降低。

综上所述，许多学者基于仿生思想对叶片进行的几何改型可有效控制流动及降低噪声，且应用于风力机时有较好的效果。随着科技的不断进步以及人们对大型工程问题求解方法的不断更新，数值模拟方法越来越受欢迎，尤其对风力机的研究更加合适，克服了在实验过程中的某些影响因素以及成本问题。针对风力机流动控制及降噪研究，本文提出将波形前缘结构应用于风力机叶片，采用数值模拟方法，对原始风力机和应用波形前缘结构的仿生风力机流场特性以及远场噪声辐射特性进行深入分析。

1 数值计算方法

风力机原始叶片模型如图1所示。波形前缘叶片改型示意图如图2所示，其中：叶片展长R=1 173 mm，叶片最大截面翼型的弦长$ {C}_{0} $=136 mm；Z为展向位置；最大弦长$ {C}_{0} $在Z=19％R处；A为振幅；λ为波长。应用三维建模软件CATIA对该风力机叶片进行波形前缘改型模拟，主要改变波长λ和振幅A两参数。为了保持叶片前缘的变量统一性，对波长、振幅进行无量纲化处理，分别得到无量纲振幅$ \overline{A} $（相对振幅）和无量纲波长$ \overline{\lambda } $（相对波长），即

$\qquad \overline{A}=\dfrac{A}{{C}_{0}} $

(1)

$\qquad \overline{\lambda }=\dfrac{\lambda }{R} $

(2)

波形前缘叶片前缘结构参数如表1所示。

将波形前缘叶片应用于风力机时得到的原始风力机和仿生风力机模型如图3所示。风轮直径D=2.5 m，风力机额定风速V为10 m/s。为了较好地模拟风力机在工作时的流动状态，以及叶片表面的流动分离，计算域采用旋转域与静止域相结合的方式。将整个风力机叶片附近的域设置为旋转域，采用Mesh motion模型，其余设置为静止域。整个计算域为套筒圆柱形，静止域的长度即圆柱的高为10D，旋转域的长度为0.3D，静止域的入口直径即圆柱的半径为5D，旋转域的进口直径为1.1D，旋转域进口距离静止域进口3D。静止域进口为速度进口，出口为压力出口，旋转域与静止域互相接触的面均设置为交界面，以保证流体能自由通过。计算域壁面均为无滑移形式，轮毂和叶片壁面均为移动壁面，运动方式为跟随相邻网格同时转动。风力机的计算域与计算边界条件如图4所示。

在网格划分过程中，不同区域网格的精度要求不同，因此，总体上使用非结构化网格的划分方法。在流场中，叶片需重点研究，所需网格精度最高，故叶片表面的网格尺寸最小。加密叶片与轮毂附近的网格并设置边界层置。为了满足表面边界层分离所需网格精度，第一层网格高度设为0.02 mm，以满足$ {y}^{ + }\leqslant 1 $，增长率设为1.05。在流场中，内部旋转域也是一个关键分析区，其网格尺寸比叶片的略大。近壁面网格示意图如图5所示。

在来流风速为10 m/s、风力机转速为205 r/min下通过监测叶片扭矩对原始风力机模型进行网格无关性验证，结果如图6所示，其中T 为围绕装置中心的空气动力扭矩。由图6可知，随着网格数量的不断增加，T呈减小趋势。当网格数量为700万～900万时，T变化量小于1%，故本文采用700万的网格进行模拟计算。

本文采用ANSYS软件进行数值模拟计算。定常计算过程采用$ k-\omega\;{\text{SST}} $湍流模型。当计算结果收敛后继续使用大涡模拟动力Smagorinsky-Lilly亚格子模型进行非定常流场计算，非定常的时间步长设置为$ 2.0\times {10}^{-4}\;{\mathrm{s}} $。风力机声场模拟采用FW−H方程进行计算。

2 结果分析 2.1 功率系数

功率P、功率系数$ {C}_{P} $是衡量风力机性能的两个重要指标，同时也是分析风力机性能的两个常用指标。$ {C}_{P} $表示风力机在运行时对风能的转化能力，其表达式为

$\qquad {C_P} = \dfrac{P}{{0.5\rho A_0{V^3}}} = \dfrac{{T\omega }}{{0.5\rho A_0{V^3}}} $

(3)

式中：ρ为空气密度，kg/m³；A₀为风力机叶片扫过的面积，$ A_0={\text{π}} {D}^{2}/4 $，m²；ω为角速度，rad/s。

叶尖速比$\lambda _0 $是风轮叶片尖端线速度和风速的比值，表达式为

$\qquad \lambda _0= \dfrac{{{\text{π}} nD}}{{60V}} $

(4)

式中，n为叶片尖端旋转的转速，r/min。

风力机的功率系数越高说明该风力机对风能的利用系数越高，在相同时间内发电量越高。在额定风速(10 m/s)下通过改变叶尖速比对原始风力机和仿生风力机进行数值模拟，并对功率系数$ {C}_{P} $进行比较。图7为原始风力机和仿生风力机在不同叶尖速比下的功率系数。

由图7可见，原始风力机和仿生风力机功率系数均随叶尖速比增大呈先增后减的变化趋势。当叶尖速比较低（λ₀=1～4）时，仿生风力机功率系数与原始风力机的相比提高幅度不显著，但在高尖速比（λ₀=4～8)下，仿生风力机功率系数相比于原始风力机的增加了更多。在低叶尖速比下仿生风力机功率系数较高主要是受翼型的影响，仿生风力机叶片的波形前缘结构在低叶尖速比下并不能改变气流的分布。而当叶尖速比较高时，仿生风力机叶片波形前缘与涡流发生器相似，能改变叶片表面气流分布规律，由此，风力机得到了较大扭矩，从而提高了风力机的功率系数，进而提高风力机的风能利用系数，达到提高发电量的目的。

2.2 叶片表面压力

图8为λ₀=2时原始风力机和仿生风力机的叶片表面压力云图。从图可看出，原始风力机和仿生风力机在吸力面上叶片表面所受到的压力相差不大，只在前缘位置处仿生风力机所受到的压力略大于原始风力机。这也导致仿生风力机在低尖速比下风能利用系数略大于原始风力机。

2.3 风力机流场

图9为原始风力机和仿生风力机叶片表面以及风轮表面的速度矢量图。从图可以看出，原始风力机和仿生风力机叶片表面的速度分布极为相似，均呈现出叶根处速度最小、叶尖处速度最大的特征，这与旋转的特性相吻合。整个叶轮周向速度最大的部位在叶尖区域，该区域同时也是速度变化最大的部位。这说明叶尖部位的流动情况会对整个风轮的气动性能产生很大影响。当气流流过叶尖时将会产生一定的回流。这些回流会导致一部分能量损耗，而这些能量损耗是叶尖形状以及气流所流过时产生的摩擦力引起的。

图10为风力机旋转域中叶片表面附近的涡结构。在旋转区域中，气流流动形式较为复杂，存在很多形式的涡结构，如叶尖涡、附着涡以及中心涡等。从图10可以看出，风力机叶片叶尖区域以及尾缘区域涡结构脱落的强度较大，而叶尖是产生气动噪声的最主要区域。附着在叶片上的涡会影响叶片表面气流流线的分布规律，进而使得叶片表面的压力脉动发生变化，在涡运动以及耗散过程中产生气动噪声。随着叶片的旋转，波形前缘结构将附着在叶片尾缘处的涡流破碎成小涡，进而渐渐脱落、耗散。通过这一过程在叶片尖端产生了应力集中现象。这也是仿生风力机在叶尖处的压力略大于原始风力机的原因。

2.4 风力机声场特性

为了对风力机叶片声学分布进行分析，需设置部分接收点以得到声场信息，如声压级频谱分布以及声场指向性分布。图11为风力机叶片监测点分布示意图，其中：a～d表示监测点；x轴为叶片的旋转轴，将x轴方向第一个点设置为起点，分别在距离风力机叶片中心1 m以及2.5 m的圆周上等角度设置16个监测点，每相邻的两个监测点相隔22.5°。

图12为在不同监测点原始风力机和仿生风力机的声压级频谱特性分布，其中：SPL为声压级；f为频率。从图可以看出，随着频率的增加，原始风力机和仿生风力机的声压级均呈降低趋势，其中监测点a、c声压级大于监测点b、d的值。这表明风力机轴向声压级大于径向的。观察监测点a～d的声压级变化可以看出，各频率下仿生风力机的声压级均有不同程度的下降。

图13为原始风力机和仿生风力机的噪声辐射指向性分布。从图可以看出，原始风力机和仿生风力机轴向声压级均大于径向声压级，仿生风力机在各监测点的声压级均小于原始风力机的值，降低约0.1 ～ 4.5 dB，最大降噪量可达6.5%，因此波形前缘结构具有降噪效果。

通过对波形前缘叶片流场以及声场进行数值模拟发现，波形前缘结构具有降低气动噪声的作用：根据流场中风力机叶片表面压力和涡结构的状态，压力场中迎风面上原始叶片的最小负压区域小于波形前缘叶片的最小负压区域，这使得在切入式波形前缘结构处形成双向涡对，进而产生了较小的压力。根据流体力学原理，背风面气流的一部分流入迎风面，从而产生更高的升阻比；波形前缘叶片叶根沿着展向的压力差梯度较缓，且波形前缘结构的存在，能够有效调节叶片展向涡的结构分布，使得叶片表面涡与尾迹涡的厚度降低且范围缩小，从而削弱了展向涡的连接；波形前缘结构干扰了大涡团的形成，增加了涡脱落的频率。根据涡声理论，大涡团受挤压脱落产生的噪声大于小涡团，大涡被粉碎产生小涡的过程又有能量的衰减，且在耗散过程中小涡最先耗散，说明减小涡量对流动噪声有利。在声学分析中，涡团的耗散需要消耗能量。波形前缘结构加快了涡脱落的频率和尾迹处涡团的耗散速度，使得波形前缘叶片的气动噪声低于原始风力机叶片的。

3 结论

本文利用数值模拟方法分析了原始风力机和仿生风力机在均匀来流工况以及额定转速下的流场以及声场特性，得到的主要结论为：

（1）随着叶尖速比的增加，两种风力机的功率系数均呈先增后减的趋势。叶尖速比较低（λ₀=1 ～ 4）时，仿生风力机的功率系数相比于原始风力机的无明显改变；叶尖速比较高（λ₀=4 ～ 8）时，仿生风力机的功率系数相比于原始风力机的提高较多，最大可提升约12%。

（2）原始风力机和仿生风力机在吸力面叶片表面所受到的压力相差不大，只在前缘位置处仿生风力机所受到的压力略大于原始风力机。这导致仿生风力机在低尖速比下风能利用系数略大于原始风力机。整个叶轮周向速度最大的部位在叶尖区域，这也是速度变化最大的部位。这说明叶尖部位的流动情况会对整个风轮的气动性能产生较大的影响。

（3）随着频率的增加，原始风力机和仿生风力机的声压级在各监测点均呈降低趋势，且风力机轴向声压级大于径向声压级。由监测点a～d的声压级变化可以看出，在各频段下仿生风力机的声压级均有不同程度的下降。仿生风力机在各监测点的声压级均小于原始风力机的值，降低约0.1 ～ 4.5 dB，最大降噪量可达6.5%，因此波形前缘结构应用于风力机叶片时具有降噪效果。