第一章绪论
1.1研究背景
我国风电装机已占全球总量四分之一，并保持持续增长。风电已成为我国能源可持续发展的战略性产业，在21世纪内的发展前景广阔而确定。尽管风能是众所周知的清洁能源，在大力推广风能的同时，对其可能产生的负面效应仍需要积极应对，提前做要相关的预期评估。无论从影响身心健康和风电被社会广泛接纳的角度看，研究风电噪声对环境的影响是十分必要的。
近年来，大型兆瓦级风力机不断创新，大尺寸风力机叶片的噪声控制面临新的挑战。关于风电噪声控制，首先应了解风力机噪声定级的相关标准。欧洲人口密度和风电普及应用率都较高，因此制定了相对比较严格的风电行业噪声标准［1］。例如，丹麦的风电开发较早，相应的噪声限值也比较详尽［2］，在10m高度，对应风速6m/s时的*高噪声限值为42dB(A)；对应风速8m/s时的噪声不能超过44dB(A)。对应2种风速，在人口稠密住宅区的限值为37dB(A)和39dB(A)。其中dB表示分贝(decibel， dB)，A表示针对人耳听力敏感性的A计权级算法。由于低频噪声传播范围远的特征，针对低频噪声(10～160Hz)的标准更为严苛，在风力机所在地附近的室内测量的低频区噪声不能超过20dB(A)［3］。在德国，政府建议风力机安装在离居住地区750m至1000m外。住宅区夜间噪声应低于35dB(A)，郊区噪声低于45dB(A)［4］。作为风电发展大国，我国对风电噪声也先后制定了比较详尽的规范［5，6］。从0类地区到4类地区，夜间噪声基础限值为40～55dB(A)，白天为50～65dB(A)。以上噪声的测定都有标准的方法，测量距离大致在2～3个叶轮直径范围。因此，该标准是针对风力机近场噪声源而制定的，其直接原因是便于规范化测量和鉴定。目前*新的IEC风力发电机组噪声测量技术标准已经更新为3.1版本［7］。由于远距离风力机噪声的传播存在诸多因素的影响，因此很难制定一个量化标准。然而风力机噪声的传播空间往往延伸到数千米距离，多台风力机噪声传播经过特定的地形和气象条件叠加并达到邻近的住宅区，将很难预测。考虑到电能传输损失和道路安装等便利，不少风电场建设在距离居民区数百米附近。一般而言，不经过低噪声叶片设计和噪声传播预测和评估，由此带来的噪声困扰或多或少会很难避免。健康问题虽然远远超出了本书的研究范畴，但是对风力机噪声传播的深入研究也许可以在不久的未来降低不必要的健康风险。风电发展受噪声辐射的强烈制约已经不是预言，而是当前的严峻事实，居安思危，从科学角度分析和解决风电噪声问题是护航绿色风电长远发展的保障。
风力机气动噪声源的数值模拟研究是对风力机空气动力学、计算流体力学与计算声学综合研究，目前国内外这方面的深入研究主要集中在气动噪声源的数值模拟和实验研究方向。而风电场全耦合的远场噪声数值化求解需要结合气动噪声源的研究与远距离传播之间的复杂耦合关系。本章分别阐述气动噪声的计算方法和风力机噪声传播的研究现状。图1.1列举了与风力机气动噪声研究关联的若干交叉方向。风力机气动噪声本身属于气动声学的应用方向之一，本书的上半篇基础理论部分涉及声学、计算流体力学、计算气动声学、大气湍流和大气声传播等，同时本书还讲解了风力机空气动力学方面的基础理论，这对于气动声学与风力机的结合至关重要。此外，关于流动测量和声学测量本书未作重点介绍，在下半篇中的算例讲解中包含了部分测量相关内容。
图1.1风力机气动噪声研究相关交叉领域从图1.1中看到，风力机气动弹性问题也可能成为气动声学研究的交叉点，其实不仅是风力机，许多旋转机械弹性变形引起的振动噪声和气动噪声具有强关联性。气动弹性是值得深入探讨的重要研究课题，受限于本书的内容篇幅，在风力机气弹和结构设计方向不做具体的介绍，感兴趣的读者可以参考相关文献［8］～［10］。大型风力机叶片具有细长而柔性的外形和结构特征，正常运行状态下由气弹变形引起的噪声频率和振幅的变化要远小于直升机、船舶螺旋桨等大刚度旋翼产生的振动以及结构声传播。
从风力机气动、弹性和噪声研究的全局视角看待风力机气动噪声的研究，如图1.2所描述的耦合关系，自上而下，非稳定来流(inflow)是风力机非稳态气动力、气动噪声及弹性变形的主要诱因。其中流体模块(flow sover)和结构模块(structure model)是双向耦合关系，即形成流固耦合求解器。而对于低速流动而言，气动噪声模块(acoustic model)与流体模块可以认为是单向传递关系，即流体的解作为输入提供声学解算，而声场对流场无反馈作用机制。同时，结构模块与气动噪声模块也存在关联性。针对求解的对象，例如风力机或者风电场，采用的求解方法可以多样化。如流程图中所示，对于风电场计算可以采用致动线(actuator line， AL)、致动盘(actuator disc， AD)、致动面(actuator surface， AS)、浸入边界(immersed boundary， IB)等多种方法。*后，由智慧伺服控制贯穿气动、弹性和噪声模块，构成智慧风电的理想形态(smart wind energy)。
图1.2气动、弹性和噪声的关联性1.2风力机气动噪声研究现状
1.2.1气动噪声的高精度数值模拟研究
近代计算气动声学(computational aero-acoustics， CAA)的发展建立在高性能计算机不断发展的基础上。在数值计算领域，计算流体动力学(computational fluid dynamics， CFD)和CAA有着许多共性，自20世纪90年代开始，CAA 逐渐成为一门独立研究的领域。CAA计算对象是微弱的声压，举例而言，强度94dB的噪声约相当于10-5的标准大气压，这是可以损害人类听觉系统的声压等级。CAA面临的第一个难题是要求解比流场压力小数万量级的压力脉动；第二个难题是对于高频率声波的计算需要大量增加网格密度和采用低色散高阶差分格式。
1962年，Lighthill［11］提出著名的声比拟方法，标志着近代计算气动声学研究的开始。至今，该方法仍然得到广泛应用并不断由其他学者提出新的改进。*初的Lighthill理论应用对象是湍流射流噪声，如飞机的涡轮喷气出口噪声计算。Curle提出的理论方法则可以处理具有实体边界的噪声问题［12］，Ffowcs等［13］将该方法进一步拓展到可以处理任意移动的实体边界。这一方法现广泛存在于旋转机械的气动噪声计算中，如涡轮机、直升机、风力机等叶片的气动噪声源模拟。其优点是相对其他CAA方法，消耗计算资源较少，不足之处是对近物体处噪声产生机理研究有局限性。
直接数值模拟(direct numerical simulation， DNS)方法理论上也是*精确的CAA模拟方法。通过直接求解可压缩NS方程，同时可以求解流体动压和脉动声压。在对二维圆柱绕流问题的声学研究中，Inoue［14］采用了DNS直接求解可压缩NS方程，雷诺数局限在200以内，其计算结果和采用Curle 方法差别极小。尽管计算机技术的发展日新月异，DNS方法在高雷诺数湍流计算中的应用还有待时日。与流速和声速关联的马赫数一般在0.1到0.3之间不等(以风力机为例)，采用同样的时间差分格式，CAA的计算步长需小于CFD的3～10倍。通常在计算过程中为了采集足够长时间的脉动声压，还需要进行长时间的运算。
Hardin等［15］于1994年提出了流场和声场分割计算的方法(flow acoustic splitting technique， FAST)。至此，CAA在计算时间和计算精度上找到了一种相对的平衡。对于Hardin理论的改良，沈文忠等提出对声学方程源项的修改［16，17］。针对收敛的不稳定性，Ewert等［18］和Seo等［19］也基于原声学方程作出了修改。FAST方法的核心是把可压缩NS方程分离成不可压缩NS流体方程和声学方程并同时求解。
CAA计算需要的关键技术方法是高精度的时空差分格式。基于经典的有限差分方法(finite difference method， FDM)， Tam等提出了针对CAA求解特点的低色散
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