Чисельне моделювання аероакустичних процесів під час обтікання сегментів лопатей вітряних турбін
DOI:
https://doi.org/10.17721/1812-5409.2026/1.13Ключові слова:
аероакустика, чисельне моделювання, вітрові турбіни, сегменти лопатей, аеродинамічний шум, метод прямого акустичного моделювання, аналогія Ффоукса-Вільямса-ГокінгсаАнотація
Представлено чисельну методику для дослідження аероакустичних процесів, що виникають під час обтікання сегментів лопатей вітрових турбін. Методика ґрунтується на розв'язанні стисливих рівнянь Нав'є – Стокса із застосуванням методу великих вихорів (LES) для точного моделювання турбулентних течій, що дає змогу враховувати складну взаємодію гідродинамічних й акустичних явищ. Запропонований підхід полягає в застосуванні прямого акустичного методу (DAS) для детального аналізу ближнього поля та аналогії Фоукс Вільямса – Гокінгса (FW-H) для ефективного прогнозування шуму в дальньому полі.
З метою верифікації методики чисельні експерименти проведено для аеродинамічного профілю NACA0012 в перехідних режимах обтікання. Відтворено ключові особливості течії, такі як відрив примежового шару, формування відривних зон, перехід примежового шару в турбулентний стан із повторним приєднанням до обтічної поверхні, утворення вихрових структур та їхня взаємодія із задньою крайкою як основне джерело аеродинамічного шуму. Наведено порівняння отриманого розподілу акустичних характеристик у ближньому полі з відомими розрахунковими даними.
Виконано дослідження шумових характеристик профілю NACA0012 у ближньому полі з використанням методу DAS, встановлено зв'язок між аеродинамічними особливостями потоку та механізмом генерації акустичних флуктуацій. Дослідження шумових характеристик у дальньому полі також проведено із використанням аналогії FW-H. Спектральний аналіз, виконаний на основі алгоритму швидкого перетворення Фур'є, продемонстрував узгодження отриманих частот тонального шуму, одержаних методами DAS і FW-H, а також кореляцію із відомими експериментальними даними.
Розроблена методика є ефективним інструментом для вивчення механізмів генерації шуму та може бути застосована у створенні малошумних конструкцій лопатей вітряних турбін.
Посилання
Arif, I., Lam, G. C. Y., Leung, R. C. K., & Naseer, M. R. (2022). Distributed surface compliance for airfoil tonal noise reduction at various loading conditions. Physics of Fluids, 34, 046113. https://doi.org/10.1063/5.0087350
Arif, I., Lam, G. C. Y., Wu, D., & Leung, R. C. K. (2020). Passive airfoil tonal noise reduction by localized flow-induced vibration of an elastic panel. Aerospace Science and Technology, 107, 106319. https://doi.org/10.1016/j.ast.2020.106319
Belamadi, R., Settar, A., Chetehouna, K., & Ilinca, A. (2022). Numerical Modeling of Horizontal Axis Wind Turbine: Aerodynamic Performances Improvement Using an Efficient Passive Flow Control System. Energies, 15(13), 4872. https://doi.org/10.3390/en15134872
Desquesnes, M., Terracol, M., Sagaut, P. Numerical Investigation of the Tone Noise Mechanism over Laminar Airfoils. Journal of Fluid Mechanics, vol. 591, 2007, pp. 155–182 https://doi.org/10.1017/S0022112007007896
Ewert, R., & Schröder, W. (2003). Acoustic perturbation equations based on flow decomposition via source filtering. Journal of Computational Physics, 188(2), 365–398. https://doi.org/10.1016/S0021-9991(03)00168-2
Huang, D., Yang, Z., & Leung, R. C. K. (2021). Implementation of direct acoustic simulation using ANSYS Fluent. InterNoise and Noise-Con Congress and Conference Proceedings, 263(3), 1243–1252. https://doi.org/10.3397/IN-2021-1787
Jones, L. E., Sandberg, R. D., & Sandham, N. D. (2008). Direct numerical simulations of forced and unforced separation bubbles on an airfoil at incidence. Journal of Fluid Mechanics, 602, 175–207. https://doi.org/10.1017/S0022112008000864
Lighthill, M. J. (1952). On sound generated aerodynamically. I. General theory. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 211(1107), 564–587. https://doi.org/10.1098/rspa.1952.0060
Nguyen, L., Golubev, V., Mankbadi, R., Yakhina, G., & Roger, M. (2021). Numerical Investigation of Tonal Trailing-Edge Noise Radiated by Low Reynolds Number Airfoils. Applied Sciences, 11(5), 2257. https://doi.org/10.3390/app11052257
Sandberg, R. D., & Jones, L. E. (2010). Direct numerical simulations of airfoil self-noise. Procedia Engineering, 6, 274–282. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2010.09.029
Teff-Seker, Y., Berger-Tal, O., Lehnardt, Y., & Teschner, N. (2022). Noise pollution from wind turbines and its effects on wildlife: A cross-national analysis of current policies and planning regulations. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 168, 112801. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112801
Wagner, S., Bareiß, R., & Guidati, G. (1996). Wind Turbine Noise. Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-642-88710-9
Yakhina, G., Roger, M., Moreau, S., Nguyen, L., & Golubev, V. (2020). Experimental and Analytical Investigation of the Tonal Trailing-Edge Noise Radiated by Low Reynolds Number Airfoils. Acoustics, 2(2), 310–329. https://doi.org/10.3390/acoustics2020018
Zhang, Y., Zhang, T., & Li, X. (2018). Influences of operating parameters on the aerodynamics and aeroacoustics of a horizontal-axis wind turbine. Energy, 160, 597–611. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.048
Zhu, W. J., Shen, W. Z., & Sørensen, J. N. (2018). Wind turbine noise generation and propagation modeling at DTU Wind Energy: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 88, 133–150. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.02.029
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Serhii Aleksieienko, Liliya Nakashydze, Serhii Zolotarenko
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, роботи яких публікуються у цьому журналі, погоджуються з такими умовами:
- Автори зберігають авторські права та надають журналу право на першу публікацію роботи, яка одночасно ліцензується згідно із Creative Commons Attribution License, тобто надається дозвіл іншим ділитися роботою з визнанням авторства роботи та першої публікації в цьому журналі.
- Автори можуть укладати окремі додаткові угоди щодо невиключного розповсюдження опублікованої журналом версії роботи (наприклад, розмістити її у репозитарії наукової установи чи опублікувати у книзі) з підтвердженням її початкової публікації у цьому журналі.
- Дозволяється та заохочується розміщення своїх робіт в мережі Інтернет авторами (наприклад, у репозитаріях наукових установ або на особистих веб-сторінках) до та під час процесу подання, оскільки це може призвести до продуктивного обміну, а також до більш ранніх цитувань опублікованої роботи та їх більшої кількості (див. The Effect of Open Access).
