猫头鹰和风力机的“秘密”

发布日期:2021-12-16 浏览次数:349

风力机噪声问题突出




随着“30碳达峰,60碳中和”目标的提出,风能作为可再生能源重要组成部分,近些年大力发展致使风电场的选址将会越来越靠近居民区。然而,风力机旋转过程中会发出独特的嗖嗖声,噪声的周期性变化会使人非常的不安。特别较低频率的噪声,因为大气不能很好地吸收衰减噪声,尤其在夜间,声音向下折射使人们在较远地方能够听到风力机噪声。据报道风力机噪声对心理产生严重的负面影响并且会降低睡眠质量,导致近些年关于风电扰民的报告频繁出现。

一台兆瓦级的风力机进行声源定位发现其主要的噪声源是由风力机叶片旋转所产生的,且主要集中在靠近叶尖侧的位置(颜色越深噪声越大)。叶片旋转所产生的气动噪声主要是来流湍流噪声和叶片自噪声,这两个噪声都是由于来流湍流与风电叶片表面相互作用所产生的。以一台兆瓦级别的风电机组为例,其叶片旋转产生的噪声可高达105分贝左右,与除草机发出的噪声相当。当传播到下游300m的距离处,才能够达到国家所规定的居住标准(白天55分贝,夜晚45分贝)。



基于仿生学的降噪研究



仿生学研究生物系统的结构、功能和工作原理,并试图将这些自然界中发现的概念来创造新的工程技术,并以此来发明一些设备来帮助解决实际的一些工程问题。很多仿生学的案例早已经在我们的生活得到了应用:通过蝙蝠的声波定位原理人们发明了雷达,受鱼鳍的启发人们发明了船桨,通过鲨鱼皮表面发明了减阻泳衣等等。



鉴于风电机组在实际运行过程中存在的噪声问题,近些年基于仿生学的一些降噪方法相继出现。众所周知,许多种类的猫头鹰具有独特的无声飞行能力,这归因于它们独特的羽毛适应性。受猫头鹰的启发,研究人员试图通过从不同角度探究风力机、飞机和其他结构的降噪特性,然后利用所获得的知识开发创新的降噪方案,从而降低风力机、飞机和其他结构的气动噪声。



猫头鹰寂静飞行的秘密

想要探究猫头鹰寂静飞行的秘密,首先得先从猫头鹰翅膀的结构入手。早在1934年英国科学家Graham发现猫头鹰寂静飞行的三个主要特征,分别是梳状前缘、锯齿状的尾缘以及表面柔软的绒毛,正是这些特殊的结构才导致猫头鹰能够实现安静的飞行。将猫头鹰的羽毛放大后发现羽毛的边缘有细齿状的结构,且沿着展向位置的变化其齿的长细也在发生变化。



经过多年的研究发现,这些特殊的前缘与尾缘齿状结构会使得辐射声波之间发生干涉相消的现象,从而引起噪声的降低。此外,这些前尾缘齿状结构也会诱导出额外的涡结构从而改变原有流经翅膀的涡结构,亦能实现噪声源强度的降低。

仿生降噪的应用



受猫头鹰安静飞行的启发,研究人员通过在流体部件上安装齿状前缘与尾缘来降低其气动噪声。齿状前缘可以降低由于湍流入流与前缘作用所产生的前缘噪声,而齿状尾缘则可以降低由于边界层与尾缘相互作用产生的尾缘噪声。近些年,锯齿尾缘也逐渐应用在风电叶片上,通过测量发现在叶片尾缘安装锯齿可以获得3.2分贝的降噪效果。



此外,这种仿生降噪技术也逐渐应用于飞机、无人机、风电等旋转机械上。随着仿生降噪技术的成熟,相信将会家用电器上(如空调、排风扇等)得到推广应用。

参考文献:

1. Oerlemans S, Sijtsma P, López B M. Location and quantification of noise sources on a wind turbine[J]. Journal of sound and vibration, 2007, 299(4-5): 869-883.

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4. Oerlemans S, Fisher M, Maeder T, et al. Reduction of wind turbine noise using optimized airfoils and trailing-edge serrations[J]. AIAA journal, 2009, 47(6): 1470-1481.

5. Fish F E, Weber P W, Murray M M, et al. The tubercles on humpback whales' flippers: application of bio-inspired technology[J]. 2011.



来源:中国科学院工程热物理研究所


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