风力发电机(简称“风力机”)按照电机轴与地面夹角可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。垂直轴风力机有很多发展优势：运行时所需空间较小，安装方便，便于维修；没有迎风装置，能够接受任意风向；启动风速低。此外，其叶尖速比与大型风力机相比较小，适用在城市和农村运用，虽然运行时产生的噪声相对过低，但其运行环境距离居民居住的环境较近，人们长久生活在这种环境中对自身健康有严重的危害，因此对其产生的气动噪声原由进行详解是十分必要的。
文献[3]通过解述风力机噪声产生的规律，得出其噪音是由振动噪声和空气动力学噪声构造，并在此基础上提出了主动控制和被动控制两种降噪方法。文献[4]通过对振动噪音和空气动力学噪音进行理论解析，得出小型风力机主要噪声是空气动力学噪音。但文献[3，4]并没有对其声压级(SPL)进行预测。文献[5]使用了RANS模型对阻力型风力机声压级进行了预测，并对其噪音进行了优化，但是此模型无法对网格点上瞬间值进行求解。文献[6]设计出了垂直轴风力机的空气动力学模型，并在此基础上对其性能进行了预测。文献[7]应用半经验模型对风力机的产生噪声因由进行研究，得出了声功率和总声容量的测量值。文献[8]利用SST κ-ω模型对二维垂直轴风力机模型采用非定常流场特点诠释，获得了风轮转矩的变化规律，并得到了压力场的分布。
国内外学者对风力机的气动噪声论述大都集中在大型水平轴风力机上，而在小型垂直轴风力机气动噪音方面的研究较少。本文利用CFD方法对三维垂直轴风力机周围流场进行概述，利用LES模型以及运用FW-H方程对其噪音进行预测，对小型垂直轴风力机的声压级进行预测，并解说其发生的气动噪音频谱，进而为低噪音小型垂直轴风力机的设计提供理论依据。
本文以H型垂直轴风力机为简述对象，其风轮的真实结构较为复杂，由于在风轮中的叶片部分对流场影响*大，其它构件对流场影响较小，所以在建模时只保留叶片部分[9]，其简化后构造如图1所示，所用的翼型为NACA0015，表1为风轮设计参数。
采用三维模型对其进行解析虽然会造成计算机内存消耗更大和所需计算时间更长，但便于风轮周围流场的水平面和垂直面的云图的详解。流场模型的建立有两部分：旋转域和静止域，其主要尺寸见图2。旋转域是风轮旋转的区域，根据风轮的尺寸确定旋转域的尺寸，内径为680mm，外径为720mm，高为820mm，中心位置与风轮的中心位置重合；静止域是流体流经风轮及其周围的区域，长为8000mm，宽为4000mm，高为2000mm。
利用Workbench Mesh模块对模型进行网格划分，采用Fluent网格类别，此网格划分比较细化，能够捕捉到转速、压力等变化梯度，并且有很好的平滑过渡网格。划分后的网格节点数8万左右，网格数40万左右。设置计算域的边界因素：入口为velocity-inlet，出口为pressure-outlet，其余四个面设置为pressure-far-field。图3为计算域的网格划分以及设定的边界要素类别。
瞬态流场详解时以稳态叙述的结果作为其解读的初始流场。在瞬态计算时采用滑移网格模型，此旋转归类模拟非定常流场变化，在动静部件交界处设置交界面。采用PISO算法求解Pressure-Velocity Coupling的关系；应用空间离散化算法，采用PRESTO！插值法求解计算面上的压力；采用Least Squares Cell based方式求解单元中心的变量梯度；采用Bounded Central Differencing为动量方程空间离散化格式[10]。流体类型为不可压缩流体，马赫数计算式：
当叶尖速比λ=3，风速为10m/s的工况下的马赫数Ma=0.088，小于0.3，因此流体是不可压缩的。
在声学计算部分，以Lighthill声学类比理论为基础，运用FW-H方程对流场进行计算[11]，FW-H方程:
由式(2)可知气动噪声有以上3种声源。在流场中式(2)的第一项与第二项之比与Ma2成正比，由方程(1)可知风轮的运动属于低速运动，因此第一项可以忽略，风轮可以看做为刚性的，第三项可以忽略。声学计算步长和*大频率有关：f=1/(2Δt)。从20Hz到20kHz是人们正常听力所听到的声音频率段，当高于12kHz的频率声音在空气中传播时会衰减很快，因此选用的*大频率为12kHz，则计算步长Δt=0.000042s。
在风力机流场解说中，入口采用velocity-inlet边界，风速设定为10m/s；选定大涡模拟模型进行瞬间计算。风轮的叶尖速比λ=3，风轮的转速为409.26转/分。
在进行声场计算之前通过检测阻力系数和升力系数的变化趋势来判断流场发展情形。图4(a)表示风轮的阻力系数的变化，在0.5 s后呈明显的周期性变化；图4(b)表示风轮的升力系数变化，在0.6 s后呈明显的周期性变化。因此0.6 s以后流场已经充分发展，声场部分的计算是在流场充分发展之后进行的。
如图5(a)为风轮叶片表面静压力等压线分布。从叶片的前缘到后缘压力先减小再增大，并且前缘的等压线相对比较密集，压力变化相对较大，压力梯度大。造成这种状况的缘由是：空气流经前缘时空气发生分离，形成了复杂的分离流和涡流，它们再次附着在叶片前缘的表面，形成了压力差，进而产生脉动压力。通过在风轮附近设置压力监测点，观察风轮转动时叶片引起的脉动压力变化，图5(b)表示的是所设置的4个压力点的压力变化值，其压力成明显的周期性变化，并且每当一个叶片经过监测点时该点的压力值就有明显的变化，如点(0，900，0)有5个叶片经过此点，因此其压力值就有5个明显变化的峰值。
以充分发展之后的流场为基础监测出风轮转动一周期脉动压力的频域变化，然后通过FFT转化为时域响应。图6(a)是检修点(0，900，0)经过FFT转化的频域响应，在此噪声时域响应频谱中包括低频噪声和高频噪声。从其噪声频谱分布规律诠释得出其噪音单点*大值产生在低频阶段，在2500Hz之后噪声频谱没有明显的波动，图6(b)是低频阶段的噪音频谱变化规律，在这个频率段内噪音频谱的值有明显的变化规律，每隔大约34.1Hz就会发生一个峰值。
公式。旋转噪音和涡流噪音共同结构小型垂直轴风力机的气动噪音，其中风力机的旋转噪音与风轮的角转速相关且频谱是离散分布的，涡流噪音与涡流的脱落相关且频谱是持续分布的。从图6诠释得出风力机的旋转噪声详细集中在低频阶段，涡流噪音分布的频率更为广泛，虽然其单点的声压级低于旋转噪音，但其声能量在整个噪音中占据绝大部分，因此涡流噪音是影响环境的具体噪声。
从图7可见，随着离风轮中心距离的增加，检验点的声压级减少，在34.1Hz的倍数附近也会产生峰值，但是距离越远在高频阶段峰值就越不明显。
以距离风轮旋转中心900，1100，1500mm为半径分别做圆，并在每个圆上每隔30°取1个监测点，3个圆周上有36个点，见图8。测出每个点的声压级，同一半径上不同角度的测量值各不相同，不同半径上的测量值变化规律相似，同一半径上在150°时监测点的声压级*高，在270°时监测点的声压级*低，且这2点的差值为7dB，在0°～180°所有点的声压级比180°～360°所有点的声压级要大。从图可以得出小型垂直轴风力机的气动噪音在垂直于叶轮的水平面内具有指向性。
以文献[12～17]中H型小型垂直轴风力机的风洞试验参数为根据对所建立的模型正确性进行验证。文献中风轮参数：叶片个数为3，风轮高度为536mm，风轮直径为530mm；工作工况为：叶尖速比为3，风速为6.6m/s，转速为718转/分。建立文献中风轮组成，利用论文浅谈方法对文献[12]中风力机组成进行气动噪声仿线为数值计算结果与风洞试验结果对比，在20Hz之后试验声压级频谱与仿真声压级频谱变化趋势相同，都在35.7Hz的倍数出现峰值(
=35.7Hz)且在基频处的声压级*大，但数值计算的*大声压级略小于试验的*大声压级，这是由于数值计算是在一个自由空间，试验却有地面、支架等干扰。综上所述，静音型发电机组此方法对预测小型垂直轴风力发电机的气动噪声是可行的。
(1)通过对翼型为NACA0015小型垂直轴风力机气动噪音进行概述，得出旋转叶轮噪音具体原由是叶片的表面与气流的共同功用时所产生脉动压力而造成的偶极子声源。
(2)通过瞬态流场的详解，基于FW-H方程实现了风轮叶片表面的偶极子声源的模拟，对声压级频谱进行论说，得出离散的旋转噪声和持续的涡流噪声是偶极子声源的具体结构部分。在叶尖速比为λ=3，风速为v=10m/s的工况时近场区域声压级较大的是旋转噪音，但其噪声的具体构成成分是涡流噪声。通过试验对比，验证了所建模型的准确性。