粗糙度对风力机专用翼型气动性能影响

文章编号：　１００５－０３２９（２０１４）０１－００１７－０５

收稿日期：　２０１２－１２－２５　修稿日期：　２０１３－０６－２１

基金项目：　国家自然科学基金资助项目（Ｅ５１１１７６１２９）；上海市教委科研创新（重点）资助项目（１３ＺＺ１２０）；上海市教委科研创新资助项

目（１３ＹＺ０６６）

设计计算

粗糙度对风力机专用翼型气动性能影响

吴　攀，李　春，叶　舟，李志敏，陈　余

（上海理工大学，上海，２０００９３）

摘　要：　针对风力机专用翼型ＦＦＡ－Ｗ３－２１１进行数值模拟，深入系统探讨了粗糙度对该翼型气动性能的影响。采用剪切应力输运ｋ－ｏｍｅｇａ湍流模型进行ＣＦＤ计算；于翼型表面均匀分布不同粗糙度，求出该翼型敏感粗糙度；同时，研究了在该翼型吸力面和压力面不同位置布置敏感粗糙度时，粗糙带位置对翼型升力系数和阻力系数的影响，分别求出吸力面和压力面的敏感粗糙带位置，与软件ＸＦＯＩＬ算出转捩点位置进行对比，分析粗糙度对该翼型气动性能的影响。计算结果对风力机专用翼型的设计与开发具有一定的理论价值。

中图分类号：　ＴＨ４３；ＴＫ８３ 文献标志码：　Ａ ｄｏｉ：１０３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０３２９．２０１４．０１．００４

ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＲｏｕｇｈｎｅｓｓｏｎＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＤｅｄｉｃａｔｅｄＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅＡｉｒｆｏｉｌ

ＷＵＰａｎ，ＬＩＣｈｕｎ，ＹＥＺｈｏｕ，ＬＩＺｈｉ－ｍｉｎｇ，ＣＨＥＮＹｕ

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２０００９３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：　ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｆｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅａｉｒｆｏｉｌＦＦＡ－Ｗ３－２１１ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｎｔｈｅ

ａｉｒｆｏｉｌｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｄｅｔａｉｌｅｄｌｙａｎｄｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｋ－ｏｍｅｇａＳｈｅａｒＳｔｒｅｓｓＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ（ＳＳＴ）ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｗａｓｅｍ－ｐｌｏｙｅｄｆｏｒＣＦＤｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｕｇｈｎｅｓｓｗａｓｅｖｅｎｌｙａｒｒａｎｇｅｄｏｎａｉｒｆｏｉｌｓｕｒｆａｃｅｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ｔｈｅａｒｔｉ－ｃｌｅａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｌｉｆｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｄｒａｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗｈｅｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｗａｓａｐｐｌｉｅｄｏｎｔｏｖａｒｉｏｕｓｌｏ－ｃａｔｉｏｎｓ．ＴｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｌｏｃａｔｉｏｎｓｉｎｓｕｃｔｉｏｎｓｕｒｆａｃｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｔｏｃｏｍｐａｒｅｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｐｏｉｎｔｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙＸＦＯＩＬ．Ｔｈｕｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｎａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｉｔｍａｙｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ

ｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅａｉｒｆｏｉｌ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ＦＦＡ－Ｗ３－２１１ａｉｒｆｏｉｌ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ；ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｐｏｉｎｔ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

１　前言

随着水平轴风力机大型化，由陆地发展到海上，其工作环境愈加恶劣。长期风沙、冰雪、盐雾、动植物等影响，都会引起叶片粗糙度变化，甚至外形尺寸突变。这对风力机的气动性能有较大影响。因此，深入系统地研究表面粗糙度对翼型气动性能的作用机理具有重要工程意义。国内许多学者都对粗糙度进行了相应研究，并得到了一些理论和试验结果：任年鑫的研究表明，数值模拟方

法可有效研究表面粗糙度对风力机二维翼型气动

性能的影响［１］

；包能胜等试验表明，在叶片压力面尾缘，通过适当增加一定宽度和粗糙度的粗糙

带可增大叶片有效升力系数［２］

；张国强的研究表明翼型前缘和上表面的结冰，对气动性能影响最大［３～５］。

在获取国外学者对ＦＦＡ－Ｗ３－２１１翼型试验数

据基础上［６］

，采用ｋ－ｏｍｅｇａＳＳＴ湍流模型和基于压力的Ｓｉｍｐｌｅ算法对该翼型进行粗糙度敏感性数值模拟。

７

１２０１４年第４２卷第１期 流　体　机　械