中文摘要：

风力机噪声不仅引起环境污染，还会造成结构的疲劳和破坏，是风力机设计及推广应用中需要考虑的重要因素之一。其中，叶尖涡流和叶片后缘涡流是属于风力机气动噪声。本项目以水平轴风力机风轮的涡声现象立题研究，采用基于实验数据的气动声学研究方法及其技术路线，详细地实验测量在不同来流风速和转速下风轮声场的气动声学特性及声频谱特性。然后用CFD/CAA结合的数值方法，计算并描述风轮叶尖涡流动的非定常变化细节。着重研究其涡结构与离散声辐射的相互作用，揭示声波作用下涡声干涉及涡量变化中的能量损失向声能转化的流动机制，摸索适合于此类问题中涡声现象的预测或控制模型。在此基础上,探索并研究通过叶尖外形结构改变实施降噪的途径，为风轮气动声学及离散声辐射的预测提供研究基础和实验数据。通过研究，最终可以从设计源头某一方面来降低风轮气动噪声以及为降噪方法的实施提供工程应用基础，并为减少实验方案提供技术支持。

结论摘要：

本项目以水平轴风力机风轮的涡声现象立题研究，应用PIV技术对风轮下游叶尖涡诱导效应区、叶尖涡脱落频率、涡核位置和轨迹、涡量强度等进行研究；采用声阵列、测试线等方法、利用丹麦BK公司6通道输入模块（4通道输入/2通道信号输出）振动噪声采集系统和ME‘Scope VES Viusal SDM Pro分析软件，详细地实验测量在不同尖速比、不同翼型叶片下风轮声场的气动声学特性及声频谱特性。结果表明风轮在旋转过程中，风力机风轮下游同一截面不同尖速比下噪声最大声压级的分布规律是在测试截面上由圆心沿半径增大的方向依次经过三个压力脉动变化强烈的区域，它们是测试中心区域（测试截面圆心）、中心涡区域、叶尖涡区域，测点在上述三个区域都会出现声压级的峰值，并且在叶尖涡区域声压级的峰值达到最大；在同一尖速比不同截面下风轮近尾迹区域噪声传播变化规律是沿着x轴正方向远离风轮旋转平面的测试截面，中心涡区域和叶尖涡区域半径增大，不断向外迁移。 在CFD/CAA结合的数值方法研究中，通过分区域过渡层的滑移网格结合叶片近壁区的贴体网格梯度变化的方法获得叶轮近尾迹区域的流场流动信息和高精度计算结果，进而得到声场。采用间接边界元方法建立无界声场中风力机声辐射的边界元数学模型，计算中以四节点曲边形等参元模拟风力机表面，通过Helmholtz边界积分方程和高性能计算机采用快速多极算法获得风力机近尾迹区域声场细节信息，掌握了涡声现象的预测或控制模型，并与试验结果对比分析，吻合较好。 针对叶尖部位是影响近尾迹流动和声辐射的主要区域，作者提出V型叶尖小翼结构。采用5因素5水平的正交试验方法和不同V型叶尖小翼在实际风场中增加的单位面积发电量，找到在不同尖速比下均具有较好功率放大效果的叶尖小翼结构，对其影响声辐射的特征、涡声干涉及涡量变化中的能量损失等进行了测试，发现该小翼使风轮旋转基频及其谐波关系的频率所对应的频谱图峰值有明显下降的趋势，没有对叶尖涡的脱落频率产生影响，叶尖涡的脱落频率和风轮的旋转速度有关。同时该小翼还可以使叶尖附近的压力脉动衰减，使高压力脉动区域从x=(10-60)cm 缩小到x=(10-40)cm，有效降低近尾迹中的声压级，靠近风轮附近测点的声压级平均最大降幅为8dB。V型叶尖小翼影响声辐射的研究，为提高风力机性能和探索降噪途径奠定理论基础。