粗糙度對風(fēng)力機專(zhuān)用翼型氣動(dòng)性能影響
針對風(fēng)力機專(zhuān)用翼型FFA-W3-211 進(jìn)行數值模擬，深入系統探討了粗糙度對該翼型氣動(dòng)性能的影響。采用剪切應力輸運k-omega 湍流模型進(jìn)行CFD 計算; 于翼型表面均勻分布不同粗糙度，求出該翼型敏感粗糙度; 同時(shí)，研究了在該翼型吸力面和壓力面不同位置布置敏感粗糙度時(shí)，粗糙帶位置對翼型升力系數和阻力系數的影響，分別求出吸力面和壓力面的敏感粗糙帶位置，與軟件XFOIL 算出轉捩點(diǎn)位置進(jìn)行對比，分析粗糙度對該翼型氣動(dòng)性能的影響。計算結果對風(fēng)力機專(zhuān)用翼型的設計與開(kāi)發(fā)具有一定的理論價(jià)值。
1、前言
隨著(zhù)水平軸風(fēng)力機大型化，由陸地發(fā)展到海上，其工作環(huán)境愈加惡劣。長(cháng)期風(fēng)沙、冰雪、鹽霧、動(dòng)植物等影響，都會(huì )引起葉片粗糙度變化，甚至外形尺寸突變。這對風(fēng)力機的氣動(dòng)性能有較大影響。因此，深入系統地研究表面粗糙度對翼型氣動(dòng)性能的作用機理具有重要工程意義。國內許多學(xué)者都對粗糙度進(jìn)行了相應研究，并得到了一些理論和試驗結果: 任年鑫的研究表明，數值模擬方法可有效研究表面粗糙度對風(fēng)力機二維翼型氣動(dòng)性能的影響; 包能勝等試驗表明，在葉片壓力面尾緣，通過(guò)適當增加一定寬度和粗糙度的粗糙帶可增大葉片有效升力系數; 張國強的研究表明翼型前緣和上表面的結冰，對氣動(dòng)性能影響最大。
在獲取國外學(xué)者對FFA-W3-211 翼型試驗數據基礎上，采用k-omega SST 湍流模型和基于壓力的Simple 算法對該翼型進(jìn)行粗糙度敏感性數值模擬。
2、數值計算模型
控制方程采用連續性方程和二維不可壓縮雷諾時(shí)均Navier-Stokes 方程，分別為：
式中ρ———流體密度
v———運動(dòng)粘性系數
采用剪切應力輸運k-omega ( 即k-omegaSST) 湍流模型。該模型為二方程湍流模型，綜合了k-omega 模型和k-epsilon 模型優(yōu)點(diǎn)，包含轉捩和剪切選項，對壁面流固分離有較高計算精度。采用k-omega SST 湍流模型作為數值模擬模型，使結果具有更高的精度和可信度。
3、模型設置
3.1、網(wǎng)格拓撲和模擬條件設置
FFA-W3-211 翼型是瑞典航空研究院研制的風(fēng)力機專(zhuān)用翼型，相對厚度為21%，該翼型特點(diǎn)是設計升力系數高，可滿(mǎn)足低尖速比風(fēng)力機要求，最大升力系數對前緣粗糙度不敏感，具有很好的氣動(dòng)性能。廣泛用于大型風(fēng)力機葉片主要功率產(chǎn)生區。
拓撲結構采用結構化網(wǎng)格。為研究前緣滯止流動(dòng)，前緣計算域網(wǎng)格擴展為10 倍翼型弦長(cháng); 后緣計算域網(wǎng)格擴展為20 倍翼型弦長(cháng)，以便研究尾緣附近各種尺度的尾跡渦流動(dòng)對翼型特性造成的影響。為模擬風(fēng)洞試驗，以更好與試驗數據進(jìn)行對比，幾何模型翼型弦長(cháng)同樣取1m。圖1 示出該翼型計算域網(wǎng)格拓撲和局部加密。
圖1 FFA-W3-211 翼型計算域網(wǎng)格拓撲和局部加密
用軟件XFOIL 算出該翼型在不同攻角時(shí)，吸力面和壓力面的轉捩點(diǎn)位置，如圖10 所示。從圖可看出轉捩關(guān)鍵攻角為9°，在此攻角下吸力面轉捩點(diǎn)在距前緣27%弦長(cháng)處，壓力面轉捩點(diǎn)在距前緣54%弦長(cháng)處。
圖10 轉捩點(diǎn)位置隨攻角變化
綜上可知，FFA-W3-211 翼型處于最佳出力工況時(shí)，在粗糙度敏感位置添加一定寬度的粗糙帶可適當延緩轉捩，但其氣動(dòng)性能與光滑表面時(shí)相比大大降低。究其原因為: 增大粗糙度后流場(chǎng)擾動(dòng)加劇，層流向湍流過(guò)渡段區域增大，故推遲了轉捩點(diǎn)位置; 而流場(chǎng)擾動(dòng)的加劇迫使該翼型氣動(dòng)性能急劇惡化。文獻中所提在葉片壓力面尾緣，適當增加一定寬度和粗糙度的粗糙帶可增大葉片有效升力系數的結果并不適用于該翼型。
5、結論
( 1) 數值模擬采用k-omega SST 湍流模型，可有效研究表面粗糙度對FFA-W3-211 翼型氣動(dòng)性能的影響;
( 2) 與工程實(shí)際運行時(shí)間相聯(lián)系，模擬了FFA-W3-211 翼型表面粗糙度對其升力系數和阻力系數的影響，通過(guò)分析，總結出該翼型的敏感粗糙度為0. 6mm;
( 3) FFA-W3-211 翼型敏感粗糙帶位置為: 吸力面距前緣55%弦長(cháng)處和距前緣90%弦長(cháng)處; 壓力面距前緣45%弦長(cháng)處和距前緣90%弦長(cháng)處;
( 4) 在FFA-W3-211 翼型敏感粗糙帶位置布置0. 6mm 粗糙度可推遲其轉捩點(diǎn)，但并不能改善其氣動(dòng)性能。在翼型壓力面尾緣增加適當粗糙度的粗糙帶可增大翼型升力系數的結論并不適用于該翼型。
