随着全球风能产业的扩张，噪声排放已成为影响合规性、公众接受度及运营盈利能力的关键因素。本文概述了一个高保真、多学科的框架，旨在预测并缓解风力涡轮机的两大主要噪声源：由叶片产生的宽频气动噪声，以及由传动系统产生的音调性振动噪声。我们提出了两套集成的仿真工作流程，赋能工程师设计出更安静的涡轮机。气动声学工作流程利用流体仿真优化叶片锯齿设计，在关键频率上实现了高达 4 分贝的降噪效果。振动声学工作流程则对整机进行建模，追踪从齿轮箱传递至塔筒等辐射表面的机械振动，从而识别主要的噪声路径。

我们将详细阐述这一辅以安全知识产权（IP）保护协作机制的整体方案，如何助力运营商减少昂贵的弃电损失、加速认证进程并改善社区关系。

更安静风能的商业价值

风电是全球增长最快且最具经济性的能源之一。仅在 2023 年，得益于较低的平准化能源成本，全球新增风电装机容量便达到了 116 吉瓦。这种快速扩张使得更多涡轮机逐渐靠近居民区，引发了对其声学足迹的密切关注。

目前，全球各地已开始实施更严格的噪声法规。例如，德国部分地区在夜间对居民区实施低至 35 分贝（A 计权）的噪声限制。一旦风力涡轮机超出限值，运营商往往被迫削减功率输出，直接导致收入与清洁能源产量的双重损失。因此，解决噪声问题已不再仅仅关乎公共关系，更是一项商业上的必修课。

本文提出了一套实用的、基于仿真的风力涡轮机噪声预测与缓解框架。我们将详细介绍两套分别针对气动与机械噪声源的工作流程。您将了解这一集成方法如何助力设计出更安静、更具盈利能力的涡轮机。

理解风力涡轮机噪声源

涡轮机的声学特征十分复杂，由源自不同部位的两种噪声类型构成。

气动噪声：这是由涡轮机叶片与空气相互作用产生的宽带 “嗖嗖” 声。主要来源是叶片后缘产生的湍流。这通常是总声级中最显著的噪声因素。

振动噪声：这是一种具有特定窄带频率特征的音调性机械声。它源自传动系统（主要是齿轮箱和发电机）的振动。这些振动通过涡轮机结构传递，最终由塔筒、机舱及叶片辐射成声。

传统开发流程中，工程重心主要放在降低宽频气动噪声上。随着这方面努力的见效，原本被掩盖的传动系统或发电机音调噪声逐渐凸显，变得刺耳。因此，有效的降噪策略必须同时兼顾这两种声源。

工作流程 1：缓解气动噪声

全尺寸涡轮叶片的原型制造与测试成本极高。数字仿真为优化气动及气动声学性能提供了一种经济高效且精准的替代方案。我们的框架采用经过验证的工作流程来设计和测试降噪特征，例如后缘锯齿。

01 集成仿真方法论

我们在 3DEXPERIENCE 平台上执行气动声学工作流程。该流程集成了叶片设计、气动分析及声学预测。

设计： 使用 CATIA 和 SIMULIA 产品创建并优化叶片几何形状，利用叶素动量理论（BEMT）工具提升性能。

分析： 我们使用 SIMULIA PowerFLOW（一种基于格子玻尔兹曼方法的求解器）来仿真多个叶片截面周围的气流。具体而言，我们旨在解析湍流边界层，这对于预测风力涡轮机的气动声学特征至关重要。

预测：Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）求解器在虚拟旋转麦克风位置计算每个独立截面的远场噪声谱。结果通过智能方式进行合成，确保多普勒效应、地面反射及大气吸收等因素均被纳入考量。通过这种方式，我们创建了涡轮机的虚拟孪生，确保满足官方 IEC 认证的所有条件。该流程正在申请专利。

为了平衡准确性与计算速度，我们采用多保真度方法。首先通过低保真度分析识别叶片上产生最大噪声的截面。对于一台 5 兆瓦的参考涡轮机，这些位置大约位于叶片半径的 75% 和 92.5% 处。随后，我们对这些关键截面进行中等保真度的 “2.5D”（拉伸翼型）仿真。此方法比全 3D 仿真快约十倍，但正如各类学术论文所述，其精度相当，非常适合用于锯齿设计等迭代工作。

02 关键结果与设计洞察

我们测试了两种锯齿类型（尖头与圆头）及不同的襟翼角度。仿真在标准的 IEC 认证点测量噪声：下风向 100 米，距地面 1.2 米处。

结果证实了仿真驱动设计的有效性及无限可能。显著降噪：所有锯齿设计均降低了 500 赫兹以下的噪声。最佳配置：-5.5° 的适度襟翼角度提供了最佳性能，在 1/3 倍频程 200 赫兹频带附近实现了约 4 分贝的降噪。设计权衡：更激进的襟翼角度（-11°）虽然降低了低频噪声，但在 1 千赫兹处增加了 4 分贝的噪声。适度的角度避免了这种不良的权衡。

这些发现表明，针对性的锯齿几何形状可以显著降低最关键频率范围内的宽带噪声，直接助力满足监管合规要求。

工作流程 2：分析振动噪声

随着叶片变得更安静，传动系统的音调嗡嗡声成了主要关注点。预测这种噪声需要一个能够追踪振动从源头经由整个涡轮机结构传递至辐射声波组件的整体系统模型。

01 整体系统级方法

此工作流程结合了多体系统（MBS）仿真与振动声学分析。

识别源头：音调噪声的一个主要来源是齿轮箱。随着轮齿啮合，接触刚度的变化会产生被称为传递误差（TE）的激励。虽然斜齿轮和微观几何修正可以减少 TE，但它们无法在涡轮机经历的所有负载工况下完全消除它。

建模振动路径： 我们使用 Simpack™ 构建整个风力涡轮机的高保真 MBS 模型。该模型通过主要从 Abaqus 导入的有限元柔性体来表征关键组件，如塔筒、底座和叶片。此外，还包含了轴承、齿轮和转子叶片等非线性元件的详细表征。这使我们能够准确仿真传动系统振动如何通过各种传递路径传播至辐射表面。

分析噪声辐射：来自 Simpack 的振动数据作为振动声学软件 Wave6® 的输入。该工具计算塔筒和机舱的振动如何向环境辐射声波。分析采用基于模态的方法，具有两大关键优势：速度：初始求解完成后，我们可以通过简单更新 MBS 模型中的模态参与因子，快速评估不同运行工况或设计变更的声学影响。洞察：分析揭示了振动在机械系统中的确切传递路径，以及塔筒或机舱的每个结构模态对声压级的贡献程度。这有助于工程师精准定位有问题的共振并制定降噪方案。

在保护知识产权前提下实现安全协作

构建完整的系统模型需要涡轮机 OEM 与各组件供应商之间的紧密协作。这给敏感知识产权（IP）的保护带来了挑战。

我们的框架通过 Simpack 中的 “黑盒（BlackBox）” 导出功能解决了这一问题。供应商可以提供其子系统（如齿轮箱）的二进制全功能模型。OEM 可以将此黑盒集成到其整体系统仿真中，而无需访问专有的设计细节。供应商对其 IP 保持完全控制，而 OEM 则获得系统级分析所需的准度。这种能力促进了安全且有效的协作。

将仿真与商业成果贯通

这一集成的多学科框架直接转化为开发商、业主及运营商的商业优势。

减少营收损失：通过设计符合严格噪声限制的更安静涡轮机，运营商可以避免昂贵的夜间功率削减，最大限度改善年发电量。加速认证：虚拟测试有助于工程师在流程早期根据认证标准评估设计，降低代价高昂的延误及后期修改的风险。削减开发成本：高效的仿真工作流程减少了对昂贵物理原型制造与测试的依赖，从而降低资本支出。提升社区接受度：积极管理声学足迹有助于在风电场所在地建立信任并获得社区支持。

未来展望：自适应噪声控制

本文详述的方法为当今设计更安静的风力涡轮机提供了稳健且经过验证的框架。欢迎在 SIMULIA 社区探索 GE 可再生能源公司的演示：GE 可再生能源：基于仿真的风力涡轮机齿轮箱音调分析与风险评估 | 2022 年风能与传动系统会议，以获取更多关于机械与传动系统组件音调噪声的信息。

展望未来，下一步是将这些高保真仿真与来自现场的实时运行数据相融合。这种综合将促成自适应噪声控制系统的开发。此类系统可以根据特定的风况和大气条件实时调整涡轮机的运行参数，以最大限度控制其声学特征，进一步提升效率并改善社区关系。

通过持续推进仿真能力，我们可以确保风能在未来仍是一种清洁、经济且广受接纳的能源。

SIMULIA 提供了一套先进的仿真产品组合，其中包括 Abaqus、Isight、fe-safe、Tosca、Simpoe-Mold、SIMPACK、CST Studio Suite、XFlow、PowerFLOW 等。SIMULIA 社区是寻找 SIMULIA 软件最新资源以及与其他用户展开协作的最佳场所。通格创智作为达索系统官方授权核心代理商与增值服务商，深耕仿真领域多年，拥有资深的仿真专家团队和丰富的行业实践经验，全面布局 SIMULIA 全产品系列，可提供从软件部署、定制开发到工程咨询的全价值链服务，助力企业充分发挥 SIMULIA 仿真工具的核心价值。