風能對減少溫室氣體排放的貢獻無庸置疑，但在設計風力渦輪機（Wind Turbines）時，噪音問題和相關法規一直是個難題，各國政府對風力渦輪機施行了嚴格的噪音法規，這些挑戰可能會限制渦輪機的運行效率，導致發電量降低，並增加生產成本。 LM Wind Power作為全球領先的風力渦輪機轉子葉片設計商和製造商，專注於為世界各地多家原始設備製造商（OEM）提供風力渦輪機項目設計和轉子解決方案。為克服噪音挑戰，LM Wind Power與達梭系統（Dassault Systèmes）攜手合作，採用了先進的模擬技術，透過SIMULIA PowerFLOW求解器，成功地結合低精度和高精度的模擬技術，設計出更精確、更安靜的風力發電機葉片。 PowerFLOW氣動聲學分析，助力解決噪音挑戰 風力發電對降低環境污染的重要性舉足輕重，但陸上風力渦輪機的噪音問題，尤其是擾人的「嗖嗖聲」，成為推廣應用的一大障礙。嚴格的噪音法規限制了渦輪機的運行，導致發電效率降低，成本也因此增加。儘管增加轉子直徑能提升發電量，但也伴隨著原型製造成本的上升。此外，噪音源自風力渦輪機的轉速和葉片複雜的設計結構，進一步加劇了對周邊社區的干擾，成為設計上的重大挑戰。 為了應對這些問題，LM Wind Power和達梭系統聯手合作，開創一種模擬方法，專注於設計具最佳化鋸齒結構的葉片，以降低全尺寸風力渦輪機的尾緣噪音。該計畫核心是開發一套具成本效益的模擬框架，能準確預測二維葉片截面的噪音，並將結果應用到全尺寸渦輪機上，不再需要昂貴又耗時的風洞實驗或實地測試。 圖1. 使用 SIMULIA PowerFLOW對風力渦輪機進行氣動聲學分析 突破性數位模擬技術，推動風能效益提升 傳統的實體測試方法存在諸多缺點，包括高昂的成本、複雜的物流安排、以及對天氣預測的依賴，這些因素往往導致測試延遲，無法在時效性和成本效益上達到最佳結果。 然而，透過SIMULIA PowerFLOW求解器的強大功能，他們結合了不同精度的模擬技術，能夠精確預測噪音在複雜地形中的分布，甚至可以模擬覆蓋數公里範圍。這項合作實現了顛覆性的成果，不僅徹底解決了噪音問題，也克服了傳統風力渦輪機設計中所面臨的各種技術瓶頸。 最關鍵的是，這項解決方案的效能已經透過嚴謹的實地測試進行了廣泛驗證。SIMULIA專家、該項目首席聲學工程師Guannan Wang表示：「這項成就立下了虛擬原型和數位孿生設計（Digital Twin Design）的新時代標竿，最終將引領我們實現風力渦輪機的數位噪音認證。」這一突破象徵著風能產業邁向更可持續、技術更先進的未來，數位模擬在優化性能並減少環境影響方面發揮了核心作用。 數位孿生技術提升風力渦輪機設計效率與精準度 引入能夠複製全尺寸風力渦輪機的數位孿生技術，為設計迭代與修改提供了一個快速且高效的平台。這種虛擬模型使得在虛擬風洞環境中進行持續測試成為可能，免除了過度簡化設計的問題。模擬結果已透過實地測試全面驗證，展現出卓越的準確性。 透過SIMULIA PowerFLOW，氣流和產生的噪音得以被詳細分析，進一步生成在真實地形上的聽覺化噪音信號。這項功能對於支援噪音抑制裝置的設計研究極具價值。 圖2. 全尺寸商用風力渦輪機在安裝鋸齒結構後的噪音頻譜變化。此圖由達梭系統製作，結合了LM Wind Power的場域實測資料，作為雙方合作的一部分。結果顯示，實地測試和模擬結果非常吻合，驗證了模擬的準確性。 四大優勢：虛擬測試、快速迭代、降低成本、法規合規 葉片形狀最佳化 虛擬風洞（Digital Wind Tunnel）提供了無限且可控的測試環境，使風力渦輪機葉片的形狀最佳化更加便捷，無需依頼實地測試即可精確調整設計。 高效的設計迭代 數位孿生框架（Digital Twin Fframework）讓設計迭代變得迅速靈活，能快速進行調整與修改，縮短了設計流程中的交付時間。 降低能源生產成本 透過消除對傳統實地測試的依賴，並提供更為可控的虛擬測試環境，此解決方案顯著降低了能源生產的整體成本。 符合噪音法規 能夠在真實地形上進行噪音信號模擬，有助於設計更精確的噪音抑制裝置，確保符合嚴格的噪音法規。 總結來說，這項創新方法提升了風力渦輪葉片設計的精準度，同時帶來了多項優勢，包括成本效益、符合法規以及加速設計流程。 達梭系統原文 關鍵字：設計迭代、風力渦輪機、氣動聲學、形狀最佳化、數位孿生、噪音