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大涡模拟理论及其在风力机伴流近场噪声计算中的应用

摘要

全球能源依然紧张，风能是可持续能源的一种，世界有条件的国家安装了越来越多

的风力发电厂，以应对能源短缺和气候变化。然而阻碍风能广泛使用的一个重要障碍是

风场中风力机产生的噪声，特别是大型风电场中水平轴式风力机（HAWT）阵列产生的

噪声。目前全球总装机容量超过74万MW，我国占比约38.8%，位居第一。风力机噪声

对居住在它附近的人们的影响问题已经加剧，在选址建立风电场前进行HAWT阵列噪

声评估变得越来越重要。

论文结合不可压缩流动大涡模拟理论分析，提出了一种HAWT阵列噪声计算流体

力学（CFD）预测方法，为大型风电场选址评估做前期噪声分析。由于CFD计算大型

HAWT阵列伴流成本过高，前人主要通过半解析的方法来计算多个HAWT的噪声。随

着计算机的发展，计算能力的提升，为寻找可靠的大型风电场中HAWT阵列噪声CFD

预测方法提供了契机。

与湍流雷诺平均N-S模拟（RANS）相比，大涡模拟（LES）可以提供更准确、更可

靠的结果，但是LES计算模型更复杂，计算成本更高。随着计算机技术的发展，LES将

发挥越来越重要的作用，但也存在一些不恰当的使用，和对LES技术基本理解的不足。

为了更好的使用LES，本文首先进行不可压缩流动大涡模拟理论分析，在尺度分离概念

下推导LES控制方程，讨论LES边界条件的处理。然后，在理论分析的基础上提出了

改进涡黏度模型，并应用于Taylor-Green（TG）涡流计算，与直接数值模拟（DNS）结

果进行了对比验证。最后，将改进的涡黏度模型应用于与风力机相关几何（圆柱、翼型、

单风力机、多风力机）绕流或伴流计算，结合Curle噪声源模型，得到了这些相关几何

体的噪声特性。

论文针对大型风电场中风力机阵列噪声评估难的问题，提出了预测HAWT阵列噪

声的BEM-CFD-LES法，可以进行多风力机阵列的伴流场和噪声评估，获得了风力机阵

列行长、行数和额定功率对伴流近场噪声的影响规律。提出了一种改进子网格黏度

LDKSGS大涡模型，通过圆柱绕流、翼型绕流和风力机伴流大涡模拟数值实验验证，提

高了数值计算的精度和稳定性。针对大涡模拟计算成本过高的问题，提出了LES计算的

初始流场计算改进方法，相比于不采用改进的LES计算方法，提高了计算效率。

关键词：大涡模拟；风力机阵列噪声；BEM-CFD-LES法；函数建模；子网格黏度模型

大涡模拟理论及其在风力机伴流近场噪声计算中的应用

Abstract

Globalenergyisstilltight,andwindenergyisaformofsustainableenergy.Countries

withconditionsaroundtheworldareinstallingmoreandmorewindpowerplantstocopewith

energyshortagesandclimatechange.However,animportantobstacletothewidespreaduseof

windenergyisthenoisegeneratedbywindturbinesinwindfarms,especiallythenoise

generatedbyhorizontalaxiswindturbine(HAWT)arraysinlargewindfarms.Atpresent,the

globaltotalinstalledcapacityexceeds740000MW,withChinaaccountingforabout38.8%,

rankingfirst.Theimpactofwindturbinenoiseonpeoplelivingnearithasintensified,and

conductingHAWTarraynoiseassessmentbe