科技的飞速进步与发展也带动了传统能源的快速消耗,能源危机使可再生能源进入了大众的视野。风能作为可再生能源里不可或缺的一类,在近年得到了足够的重视,受到了国家的大力推广。而风资源和土地资源有限,风力机的安装位置也逐渐向居民区靠近。尽管风能清洁、低碳环保,但是风力机在运行时,会产生一定的气动噪声,并且以中低频噪声为主,因此风电噪声会对风电场附近的居民有潜在的健康危害。目前,耦合风力机布机位置与风电场噪声传播影响的研究还不够深入,因此,如何在规划的区域内,寻找到周围对居民区噪声影响最小的风电场布局方式是本课题的研究目标。减少风电场在运行时对居民的健康危害,让风能被大众接受并成为真正意义上的清洁能源是本课题潜在的研究意义。为了实现上述研究目标,本文围绕风力机叶素动量理论、风力机尾流数值模拟、平坦地形单台风力机的噪声传播数值模拟、平坦地形风电场的噪声传播数值模拟等方面进行了如下工作:（1）介绍并研究了国内外对风电场噪声传播的进展,对噪声可能造成的健康危害进行了简单的说明。（2）结合叶素动量理论（BEM）分析了叶片的气动性能,介绍了 Jensen尾流模型,并利用MATLAB模拟分析了单台Nibe-B风力机以及两台串列Nibe-B风力机的尾流情况。（3）介绍了风力机的噪声源,阐释了气动噪声的产生机理,并利用课题组自研软件NoiseGen分析计算了 NREL 5-MW风力机在6种风速下噪声源的声功率级。（4）介绍了计算噪声传播衰减的抛物方程方法（PE方法）,并结合噪声传播公式,利用MATLAB软件求解,模拟了单台NREL5-MW风力机的噪声传播情况,并建立数据库。（5）设计了两种经典布局的风电场,使用MATLAB软件对这两种布局的风电场的噪声传播进行了模拟,并且对比分析了忽略尾流的噪声传播和考虑尾流的噪声传播两种情况。计算结果表明,改变风力机的布机位置对风电场周围接收点的噪声等级有不同程度的影响;进一步考虑风力机尾流影响,发现整个计算区域内的噪声等级都有了一定的降低,主要原因是尾流导致速度衰减,从而降低了噪声源的强度。最后,用PE方法对一实地风电场噪声传播进行模拟,模拟结果可用于检测风电场噪声或者风电场运行优化。

随着风力发电的迅猛发展,风力机朝着大型化和大规模化发展。伴随装机容量增加、叶片变长、叶尖速比变大的发展特征,风力机及风电场离居民区越来越近,噪声问题越发突出。风力机噪声包括机械噪声和气动噪声。通过先进的加工制造技术可以大幅度降低风力机的机械噪声,气动噪声则成为主要的噪声来源。近些年来研究气动噪声的方法主要有基于CFD的数值模拟和基于半经验公式的模型预测两类。但基于CFD方法的数值模拟一般需要耗费大量计算资源和时间,适用于初步设计之后的论证阶段,在实际工程应用中极少采用这种方法;半经验公式有着计算速度快,相对精度较高的优势,是目前广泛应用的风力机噪声预测手段。因此,建立风力机气动噪声预测模型,对风力机噪声实现快速准确的预测,可以帮助减噪措施的研究,包括风力机位置的布局、居民区选址及动物迁徙路线调整。本文的主要工作如下:（1）分析了国内外对风力机噪声研究的进展,以及噪声可能带来的综合影响。（2）介绍了风力机的基本结构、相关气动理论以及阐述了实际运行中的复杂工况。（3）研究了风力机噪声基本理论以及风力机机械噪声和气动噪声,详细讨论了气动噪声中的5种噪声源并阐释相关产生机理。（4）采用BPM和壁面压力谱（WPS）两种半经验公式,对翼型自噪声预测模型进行建模并结合实验数据进行了验证。（5）首次采用叶素动量理论和WPS翼型噪声预测模型,结合Lowson湍流入流噪声预测模型,使用MATLAB软件建立了包含气流的风剪切效应、塔影效应及等多种非稳态效应的风力机气动噪声预测模型。（6）新模型预测结果与以BPM为基础的风力机气动噪声预测结果及两台给定的风力机实际测量的噪声数据进行对比验证。结果表明,新模型预测结果与BPM预测结果、实验测量结果有较高的一致性,证明了本文提出的风力机噪声预测模型是有效可行的,为风力机气动噪声提供了一种快速有效的预测方法。（7）研究了新模型桨距角、风速、湍流强度、风切系数等因素对风力机气动噪声的影响。结果表明,适当地增大桨距角可以有效地降低风力机的气动噪声;风力机的噪声与马赫数呈正;湍流强度及风切系数对中低频噪声影响较大,对于高频部分产生的影响较小。（8）研究了风力机的声指向性,结果表明风力机的噪声辐射特性呈现为偶极子声源,由于叶片的扭曲也存在非对称性。因此,上风向和下风向位置,通常是风力机噪声辐射强度最高的区域,居民区的位置一般选择风轮平面的切线方向。

为了在有限的土地资源内进一步扩大未来风电的装机容量,陆上风电场不可避免地将越来越靠近居民区,因而风力机噪声问题将更为显著。风力机噪声不仅对附近居民的生产生活产生不利影响,同时也可能改变周围动植物的生活习性及生长周期,对当地生态系统产生潜在影响。因此为了追求经济与生态和谐发展,风电场降噪势在必行。本文的研究方法适用于多种旋转机械的低噪声设计,当前的研究主要以风力机为对象,通过理论分析,探索风电降噪的一种手段。目前,风电场规模的降噪思路主要通过优化风电机组的布局设计方案从而达到在敏感区域噪声较低的要求。单台风力机降噪方法一是从翼型和叶片出发,在考虑功率及载荷的前提下,进行噪声约束设计;二是从风力机的运行控制策略出发,综合功率输出与噪声等级,选用低噪声的运行模式;三是在现有风力机的基础上进行设计创新,主要包含了风力机的降噪附件研究。本文的研究归属于第三类别,由于风力机叶片的噪声源主要是尾缘湍流边界层噪声,考虑在风力机翼型尾缘加入多孔介质从而从根本上减少噪声产生、实现降噪,研究主要通过计算流体力学方法及计算声学方法对NACA0018基准翼型与对应的多孔介质尾缘填充的几类多孔翼型进行流场及声场的计算分析,探究多孔介质应用于风力机叶片降噪的内在机理并对不同多孔翼型的降噪效果进行评价,同时综合考量几类不同尾缘多孔填充形式的多孔翼型的气动及噪声特性并对其进行优劣比较与分析。因此,本文主要工作分为以下几个部分:（1）阐述了目前风力机降噪技术领域的发展现状,尤其对占据较大噪声比重的翼型尾缘噪声的相关抑制技术进行详细介绍,之后主要针对目前多孔介质应用于风力机降噪的相关研究进行介绍,并引出了本文的研究方向及目标、主要工作及创新点。（2）介绍了气动噪声及计算气动声学（Computational Aeroacoustics,CAA）的相关基本理论知识,对气动声学中基本概念及思路方法进行简单介绍。其中重点对本次研究所使用的FW-H（Ffowcs Williams-Hawkings）模型进行了详细介绍。此外,对典型流体流动控制方程以及多孔介质内改进的控制方程进行区别阐述,并对多孔介质的几何特性及数学建模进行介绍。（3）确定并给出了研究对象的几何模型及结构参数,对模拟计算中选用的湍流模型、声学模型以及初始条件、边界条件等参数设置进行详细介绍。同时为了保证模型的可靠性对其进行了网格无关性验证并与实验进行了比较验证。（4）主要探究了多孔介质对流场流动的影响。主要比较分析了基准翼型与尾缘多孔填充翼型的速度场变化、边界层变化（边界层厚度、边界层动量厚度、边界层位移厚度）、翼型周压力分布变化以及多孔介质对翼型尾缘及尾流区域涡脱运动的影响。通过提取各项流场参数并进行比较与分析从而探究其噪声抑制机理。（5）以升力系数、阻力系数及升阻比为主要衡量参数对基准翼型与几类多孔翼型的气动性能进行比较分析,评价其各自气动优劣,同时为了进一步探究多孔材料对翼型升阻力的影响变化,选用两类不同参数的多孔介质材料进行比较讨论。另一方面比较基准及多孔翼型的噪声特性,包括其声压波动、声功率谱密度分布、声压级频谱以及其各自声指向特性。直观地比较分析了几类翼型相较基准翼型的降噪效果、实现噪声降低所在的频率区间范围以及具有降噪效果的空间角度范围,并对不同攻角下几类翼型的噪声声压级分布、声指向性变化进行比较分析。此外,将两类具有不同结构参数的多孔翼型的降噪特性进行比较分析。（6）对所研究的内容进行概括总结,将翼型气动性能与降噪特性两方面相结合对几类不同填充形式的多孔翼型进行比较分析及综合评价,提出相对更优的多孔介质填充方案。并在已有内容基础上,对未来的可拓展的方向及内容提出展望。