Analysis on the formation mechanism of aerodynamic noise source under fully iced condition of wind turbine blades

风力涡轮机叶片结冰显着影响其空气动力学性能和功率输出以及噪音排放。然而，全冰覆盖条件下风力发电机组气动噪声源的形成机制尚不清楚。因此，本研究采用全结冰条件下的水平轴风力发电机组，系统研究了结冰时间和转速作为耦合变量对气动噪声源的影响。它还研究了不同转速下叶片中噪声源的分布及其形成机制。结冰实验表明，随着结冰时间和转速的增大，冰层沿展向向叶尖逐渐增加，沿翼型弦长方向前缘和迎风面的冰层厚度明显高于背风面和后缘的冰厚。同时，通过分析实测噪声数据发现噪声源逐渐向叶尖移动，整体噪声声压级较非结冰或轻度结冰条件增大。此外，针对同一结冰风力发电机组，利用大涡模拟（LES）结合FW-H方程进行数值模拟，揭示了当冰厚增加时，翼型形状在前缘和后缘的变化，特别是从叶片中部到叶尖的变化对声压特性和噪声源的影响最为显著。从风力发电机组的涡度等值线图可以观察到，吸冰导致脱落涡流的大小和数量增加，流动分离点向前移动并产生小尺度的涡流结构，随着结冰时间和转速的增加，升阻比降低，加剧高频噪声。通过分析噪声源位置结冰的翼型流速场和静压梯度云图，进一步证明叶片结冰改变了后缘脱落涡流的数量、大小和涡压脉动特性，最终导致气动噪声增强。研究成果将为复杂气候条件下风力发电机组结冰情况的非接触式实时监测提供理论和技术支撑。