于无声处赏风车

　　2019年10月，“2019北京国际风能大会暨展览会”在北京隆重召开，大会以“风电助力‘十四五’能源高质量发展：绿色、低碳、可持续”为主题。这是自2008年来，该项会议首次在北京举办，成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。2019年10月22日上午，CWP2019 IEA风能技术合作研究论坛上，扬州大学智慧能源研究院副院长、教授，丹麦科技大学客座研究员朱卫军，出席论坛并发表题为《风电场气动噪声预测与布局优化方法研究》的主旨演讲。在演讲中，朱卫军重点介绍了有关风电场气动噪声预测与布局优化方法的研究进展。他介绍，目前已经初步形成了比较系统的风场噪声计算方法，关于流场的计算，需要进一步开发基于复杂地形的工程尾流模型，对于风场优化工作，未来需要进一步优化计算时间。作为围绕绿色风电，我国风电噪声研究领域比较领先的专家，他用扎实的专业知识与严谨的科研态度赢得了在场同行的尊重与赞同。

　　坐在风车上搞科研

　　2001年本科毕业后，朱卫军前往丹麦科技大学深造，从硕士到博士后再到高级研究员，他用16年书写了一段与风力空气动力学与气动声学的不解之缘。丹麦地处欧洲，是北欧最小的国家之一。这个国土面积仅有4300多Km2的绿色童话王国，最令人刮目相看的是风力发电科研力量排名世界第一，这也是朱卫军坚持在丹麦搞科研的原因，他一直强调：“作为科研人员，需要不断学习、不断进步，只有接触到了最先进的科研与技术，才能丰富自己的科研思路进行创新。”在丹麦随处可见大型风力发电机组，一架架白色的风车行使着自己的使命，为这个童话国度增添了浪漫的气息。风力发电的特点是就地取材、无污染、可再生，风电机组的工作原理简单来讲是通过涡轮叶片转动来带动齿轮进行机械性转动，理论上可以永不枯竭地产生电力。但是当气流与巨大的叶片相互作用的同时产生了一种副产品，那就是气动噪声。现代大型风电机组的气动噪声是风电进一步发展的巨大绊脚石。朱卫军认为：“风电场噪声面临严峻的挑战，需要结合风电场噪声的产生机理、传播方式等多个学科进行科学分析，在低噪声和高能效之间寻找最佳的平衡点。虽然之前的计算声学、声比拟方法均可以对风力机翼型噪声进行数值模拟，但计算量都比较大，在风力机整机噪声计算中受到计算资源的制约，实用性有很大限制。”在丹麦进行科研期间，他先后开发了多种风力机噪声计算方法，包括基于可压缩NS方程的气动噪声数值算法，基于声比拟方程的噪声计算方法等，这些算法能够快速准确地计算出风机噪声值，为优化风机提供了先期数值基础。

　　2016年，朱卫军离开丹麦科技大学，回到阔别10余载的家乡江苏，受聘扬州大学电气与能源动力工程学院教授、江苏省特聘教授。扬州大学以高质量科研产出与重点人才培养为核心指标，彼时的扬州大学，新能源科学与工程专业在2015年刚刚成立，这里成为朱卫军大显身手的好地方。他精进科研，将计算流体方法用于声场的耦合计算中，运用风力机气动与弹性耦合程序分析并改进气动噪声源的算法，尤其是旋转周期内局部失速带来的低频噪声源。10余年的研究基础，让朱卫军对接下来的科研更加有信心。此时，3年多的教学付出也逐渐结出了硕果，当下有多名本科毕业学生正在丹麦科技大学攻读风能硕士学位。2018～2019年本科学生连续两次夺得全国大学生可再生能源竞赛一等奖。教书育人和科研创新，中国风能事业未来可期。

　　乘风破浪奔未来

　　“未经黑暗，便看不到光明的可贵；风正劲，帆高悬，必将下定决心乘风破浪。”这是朱卫军写在笔记本上的一句话，也是一直激励着他继续科研的动力。在朱卫军看来，他的研究主项风力机空气动力学与气动声学常常是对立统一的。风力机空气动力学的研究目的是提高风能捕捉效率和降低成本，气动声学研究是对空气动力学的延续；同时，提高气动效率降低噪声会促进风力发电的健康发展。在这方面，朱卫军进行了10余年的探索，接下来将以科研出发，最终落地与产业结合，真正地让风力机高效无噪声地转起来。朱卫军明确了风力机的噪声由来，在前期对风力机的拆解与研究中，他发现噪声主要来自于翼型和叶片自身、湍流来流。知己知彼，方可百战不殆。知道了最大的障碍在哪里，只需逐个击破就可以使难题迎刃而解。翼型和叶片自身的噪声被称为尾缘噪声，尾缘噪声是叶片气动噪声的主要来源之一。而翼型失速后产生失速噪声，这种噪声源是吸力面上由失速产生的较大的分离涡所形成。因此，在研究中，朱卫军将首先对前期翼型进行研究，开发低噪声翼型族，同时进行声学风洞实验，优化风力机几何参数，设计锯齿尾缘附件，提高功率并降低噪声。针对湍流来流噪声，他将进行翼型前缘对噪声的敏感性设计研究；同时着重研究叶片与塔影相互作用下的流动与噪声模拟，从而进行高效率低噪声的风力机设计。

　　朱卫军还将优化风场噪声，从而达到高效低噪的目标。他将对风场尾流进行模拟，在前期尾流模型研究的基础上，开发适用于风场噪声传播的简化尾流模型，获得风力机缩比模型尾流PIV测试数据并与数值模拟对比验证；同时着重研究风力机噪声源与传播方程的合理组合方案，对声源固定于塔柱高度，单极子点源、偶极子点源进行模拟，找到声源分布于各个叶片的每个叶素位置，形成数十个旋转的点源。充分考虑到多台风力机声源、尾流叠加等多种来流工况、复杂地形、非连续地面声阻抗等多种效应，朱卫军还将进行跨学科研究，进行流声耦，将基于代理模型的优化方法应用于风场优化有望高效快速地得到风场风力机分布策略。在不同风速下，朱卫军将对具有典型相对位置的2台风力机进行数值模拟和风洞实验，考察其效率、噪声等关键指标；在设计状态下得出若干样本结果，根据代理模型构建原理对状态点和相应结果进行数据重构，建立相应函数关系的代理模型；选取新的状态，对代理模型进行误差精度分析与结果验证，确定最终代理模型形式，对风场进行拓补，建立高效率低噪声风场优化方法。

　　愿景的美好是朱卫军前进的动力，“也许前方科研路上布满荆棘，也许前方科研路上艰难险阻，我都会全力以赴，我为我的事业感到骄傲，我愿化作一缕清风，助力科研发展。”

　　徐　飞