針對風力機專用翼型FFA-W3-211 進行數(shù)值模擬，深入系統(tǒng)探討了粗糙度對該翼型氣動性能的影響。采用剪切應(yīng)力輸運k-omega 湍流模型進行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，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，粗糙帶位置對翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)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(zhuǎn)捩點位置進行對比，分析粗糙度對該翼型氣動性能的影響。計算結(jié)果對風力機專用翼型的設(shè)計與開發(fā)具有一定的理論價值。

1、前言

　　隨著水平軸風力機大型化，由陸地發(fā)展到海上，其工作環(huán)境愈加惡劣。長期風沙、冰雪、鹽霧、動植物等影響，都會引起葉片粗糙度變化，甚至外形尺寸突變。這對風力機的氣動性能有較大影響。因此，深入系統(tǒng)地研究表面粗糙度對翼型氣動性能的作用機理具有重要工程意義。國內(nèi)許多學(xué)者都對粗糙度進行了相應(yīng)研究，并得到了一些理論和試驗結(jié)果: 任年鑫的研究表明，數(shù)值模擬方法可有效研究表面粗糙度對風力機二維翼型氣動性能的影響; 包能勝等試驗表明，在葉片壓力面尾緣，通過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(shù); 張國強的研究表明翼型前緣和上表面的結(jié)冰，對氣動性能影響最大。

　　在獲取國外學(xué)者對FFA-W3-211 翼型試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用k-omega SST 湍流模型和基于壓力的Simple 算法對該翼型進行粗糙度敏感性數(shù)值模擬。

2、數(shù)值計算模型

　　控制方程采用連續(xù)性方程和二維不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes 方程，分別為：

　　式中ρ———流體密度

　　v———運動粘性系數(shù)

　　采用剪切應(yīng)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，包含轉(zhuǎn)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(shù)值模擬模型，使結(jié)果具有更高的精度和可信度。

3、模型設(shè)置

　　3.1、網(wǎng)格拓撲和模擬條件設(shè)置

　　FFA-W3-211 翼型是瑞典航空研究院研制的風力機專用翼型，相對厚度為21%，該翼型特點是設(shè)計升力系數(shù)高，可滿足低尖速比風力機要求，最大升力系數(shù)對前緣粗糙度不敏感，具有很好的氣動性能。廣泛用于大型風力機葉片主要功率產(chǎn)生區(qū)。

　　拓撲結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為研究前緣滯止流動，前緣計算域網(wǎng)格擴展為10 倍翼型弦長; 后緣計算域網(wǎng)格擴展為20 倍翼型弦長，以便研究尾緣附近各種尺度的尾跡渦流動對翼型特性造成的影響。為模擬風洞試驗，以更好與試驗數(shù)據(jù)進行對比，幾何模型翼型弦長同樣取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，吸力面和壓力面的轉(zhuǎn)捩點位置，如圖10 所示。從圖可看出轉(zhuǎn)捩關(guān)鍵攻角為9°，在此攻角下吸力面轉(zhuǎn)捩點在距前緣27%弦長處，壓力面轉(zhuǎn)捩點在距前緣54%弦長處。

圖10 轉(zhuǎn)捩點位置隨攻角變化

　　綜上可知，F(xiàn)FA-W3-211 翼型處于最佳出力工況時，在粗糙度敏感位置添加一定寬度的粗糙帶可適當延緩轉(zhuǎn)捩，但其氣動性能與光滑表面時相比大大降低。究其原因為: 增大粗糙度后流場擾動加劇，層流向湍流過渡段區(qū)域增大，故推遲了轉(zhuǎn)捩點位置; 而流場擾動的加劇迫使該翼型氣動性能急劇惡化。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(shù)的結(jié)果并不適用于該翼型。

5、結(jié)論

　　( 1) 數(shù)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 翼型氣動性能的影響;

　　( 2) 與工程實際運行時間相聯(lián)系，模擬了FFA-W3-211 翼型表面粗糙度對其升力系數(shù)和阻力系數(shù)的影響，通過分析，總結(jié)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%弦長處和距前緣90%弦長處; 壓力面距前緣45%弦長處和距前緣90%弦長處;

　　( 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(zhuǎn)捩點，但并不能改善其氣動性能。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(shù)的結(jié)論并不適用于該翼型。