粗糙度对风力机专用翼型气动性能影响.pdf

2 0 1 4 年第4 2 卷第 1 期 流体机械 1 7 文章编号 1 0 0 50 3 2 9 2 0 1 4 0 1 0 0 1 7 0 5 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， 2 0 0 0 9 3 摘要 针对风力机专用翼型 F F A ． W3 - 2 1 1 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 - o me g a 湍流模型进行 C F D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 X F O I L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 T H 4 3 ； T K 8 3 文献标志码 A d o i 1 0 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 0 4 I n flu e nc e o f Rou g hne s s o n Ae r o d yna mi c Pe rfo r man c e o f De di c at e d W i nd Tur bi ne Ai rfo i l W U Pa n， LI Ch un， YE Zh o u， LI Zh i mi n g， CHEN Yu D e p a r t m e n t o f E n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d t e c h n o l o gy， S h a n gha i ， 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Nu me r i c a l s i mu l a t i o n Wa s c o n d u c t e d for wi n d t u r b i n e a i r f o i l F F A- W 3 - 21 1 a n d t I le i n fl u e n c e o t t I l e rou g h n e s s o n t h e a i rf o i l w a s i n v e s t i g a t e d d e t a i l e d l y and s y s t e m a t i c a l l y ．T h e k - o m e g a S h e a r S t r e s s T r ans m i s s i o n S S Tt u r b u l e n c e m o d e l w a s e m - p l o y e d f o r C F D c alc u l a t i o n ．D i ff e r e n t r o u ghn e s s w a s e v e n l y a r r a n g e d o n a i rf o i l S u rf a c e t o o b t a i n t h e s e n s i t i v e r o u ghn e s s ． The a r t i c l e al s o anal y z e d t h e i n fl u e n c e o n t h e l i ft c o e ffic i e n t a n d t h e d r a g c o e ff i c i e n t w h e n s e n s i t i v e r o u ghn e s s w a s 印p l i e d o n t o v a r i o u s l o - c a t i o n s ．Th e s e n s i t i v e l o c a t i o n s i n s u c t i o n s u rf a c e a n d p r e s s u r e s u r f a c e we r e o b t a i n e d t o c o mp a r e the l o c a t i o n s o f t r a n s i t i o n p o i n t c alc u l a t e d b y X F O I L ．T h u s t h e i n fl u e n c e o f r o u ghn e s s o n a e rod y n a mi c p e rf o r m anc e w a s a n a l y z e d a n d i t m a y p r o v i d e t h e o r e t i c al v alu e for t h e d e s i g n a n d d e v e l o p me n t o f wi n d t u r b i n e a i rfo i l ． Ke y wo r d s F F A W 3 - 2 1 1 a i rf o i l ； s e n s i t i v e r o u g h n e s s ； t r a n s i t i o n p o i n t ； a e rod y n a mi c p e rf o rm an c e 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 ， 深人系统地研究表 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 ； 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 ； 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 ～ 。 在获取国外学者对 F F A W3 - 2 1 1翼型试验数 据基础上 ] ， 采用 k - o m e g a S S T湍流模型和基于 压力的 S im p l e 算法对该翼型进行粗糙度敏感性 数值模拟。 收稿 日期 2 0 1 21 22 5 修稿 日期 2 0 1 3 0 62 1 基金项目 国家自然科学基金资助项目 E 5 1 1 1 7 6 1 2 9 ； 上海市教委科研创新 重点 资助项目 1 3 Z Z 1 2 0 ； 上海市教委科研创新资助项 目 1 3 YZ 0 6 6 2 0 1 4年第 4 2 卷第 1 期 流体机械 1 9 式 中 底层 网格厚度 Y 网格厚度 的无量纲特征值 ￡ 特征长度 特征雷诺数 厂～ 特征速度 运动粘度 由式 5 、 6 得 出Y 1 ， 满足要求 。 对网格进行无关性验证 ， 分别采用 1 5万 、 1 7 万、 l 9 万、 2 0 万和2 1 万的网格数目， 以及 l 0倍弦 长、 l 2 倍弦长计算域半径 前缘部分 进行数值模 拟。结果显示， 当网格数大于 l 9万， 其俯仰力矩系 数平均值偏差已可忽略不计， 而 l O 倍弦长和 1 2 倍 弦长计算域半径的计算结果偏差也可忽略不计。 4 计算结果 4 ． 1 光滑表面计算结果 在雷诺数为 1 ． 81 0 条件下 ， 光滑翼型升力 系数和阻力系数随攻角变化的曲线如图 2所示 。 籁 索 0- 3 0 0． 1 5 攻角 。 a 升力系数对比 - 4 1 0 2 4 攻 角 。 b 阻力 系数对 比 图2 光滑翼型计算结果与试验值对比 由图2 可知， 在小攻角范围内， 数值计算结果 与试验数据吻合良好。阻力系数计算值普遍大于 试验数据， 其误差来源主要是小攻角情况下， 翼型 表面大部分区域处于层流状态， 而数值计算以全 流场湍流情况进行计算， 故数值计算值偏大， 但误 差控制在 1 0 ％ 以内。故采用 该模型和方程计算 F F A W3 - 2 1 1 翼型气动性能具可行性 。 4 ． 2表面粗糙度对风力机翼型气动影响 对光滑表面翼型计算结果进行分析， 埃菲尔 极曲线如图3所示， 可以看出， 该翼型的失速角在 9 。 附近。选定 9 。 为表面粗糙度研究攻角 ， 可很好 反映当翼型处于最大升阻比时 ， 该翼型对粗糙度 的敏感程度和气动特性 。 籁 索 图 3 F F A - W3 - 2 1 1 翼型埃菲尔极 曲线 M o h a m m e d等通过风力机叶片积灰实验 J ， 总结出工程中风力机运行时间与其表面积灰高度 关系式。将积灰高度近似于粗糙度， 风力机粗糙 度确定式为 D d 0 ． 0 8 T O ． O 2 7 式 中 粗糙度 ， m m 卜运行时间， 月 为研究表面粗糙度对该翼型气动性能影响， 参照式 7 分别计算出风力机运行 3天到2年内 的 1 1 个不同表面粗糙度。在整个翼 型表面均匀 布置粗糙度分别为 0 ． 0 3 、 0 ． 0 8 、 0 ． 1 、 0 ． 2 、 0 ． 3 、 0 ． 5 、 0 ． 6 、 0 ． 7 、 1 ． 0、 1 ． 5 、 2 ． 0 m m 的粗糙带。通过 数值计算得攻角为9 。 时， 该翼型升力系数和阻力 系数随粗糙度变化的曲线如图4所示 。 垛 目 - 籁 垛 东 图4 升力系数和阻力系数随粗糙度变化曲线 由图4可知 ， F F A． W3 ． 2 1 1翼型作为风力机专 用翼型， 其对粗糙度的敏感性较低， 在较小粗糙度 2 0 1 4年第4 2 卷第 1 期 流体机械 2 1 粗糙带 8 位置达到最大， 其后逐渐减小； 阻力系数 随粗糙带位置变化逐渐增大 ， 在粗糙 带 5附近达 到极大值， 继而快速减小， 在粗糙带 7 位置后， 减 小速度放缓 。由图 8分析可知 ， 距前缘 5 5 ％弦长 位置和距前缘 9 0 ％弦长位置为 F F A W3 - 2 1 1 翼型 的吸力面粗糙度敏感位置 。 1 ． 3 0 辍 1 ． 2 0 、 1 ． 1 O o． 0 3 0 0． 0 25 岛 0 ． 0 2 0 粗糙 带 a 升力系数变化 1 0 1 4 l 8 粗 糙带 b 阻力 系数变 化 图9 压力面不同粗糙带位置翼型升阻力变化 由图9 可知， 于压力面布置粗糙带时， 在粗糙 带 1 2 前， 翼型升力系数迅速减小并达到极小值， 之后 ， 升力系数迅速增大 ， 并在粗糙带 l 4后缓慢 增大； 阻力系数随粗糙带位置变化逐渐增加， 并在 粗糙带 1 3 位置时达到极大值 ， 随后迅速减小。由 图9分析可知， F F A W3 - 2 1 1 翼型压力面上同样存 在两处粗糙度敏感带， 其分别为距前缘4 5 ％弦长 处和距前缘 9 0 ％弦长处。 用软件 X F O I L算出该翼型在不同攻角时， 吸 力面和压力面的转捩点位置 ， 如图 1 O所示 。从 图 可看 出转捩关键攻角为 9 。 ， 在此攻角下吸力面转 捩点在距前缘 2 7 ％弦长处， 压力面转捩点在距前 缘 5 4 ％弦长处。 咖O _ 善o ． 辎 挥O ． 攻角 。 图 1 0 转捩点位置随攻角变化 综上可知 ， F F A W3 - 2 1 1翼 型处于 最佳 出力 工况时 ， 在粗糙 度敏 感位 置添 加一 定宽度 的粗 糙带可适 当延缓 转捩 ， 但其 气 动性 能与光 滑表 面时相 比大大降低。究其原因为 增大粗糙度 后 流场扰动加剧 ， 层流 向湍流过渡段 区域增 大 ， 故推迟了转捩点位置； 而流场扰动的加剧迫使 该翼型气动性能急剧恶化。文献 [ 1 ] 中所提在 叶片压力 面尾缘 ， 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 的结果并不 适用于该翼型。 5 结论 1 数值模拟采用 k - o m e g a S S T湍流模型， 可 有效研究表面粗糙度对 F F A ． W3 - 2 1 1 翼型气动性 能的影 响； 2 与工程实际运行时间相联系， 模拟了 F F A W3 - 2 1 1 翼型表面粗糙度对其升力系数和阻 力系数的影响， 通过分析， 总结出该翼型的敏感粗 糙度为 0 ． 6 m m； 3 F F A ． W3 ． 2 1 1 翼型敏感粗糙带位置 为 吸 力面距前缘 5 5 ％弦长处和距前缘 9 0 ％弦长处 ； 压 力面距前缘 4 5 ％弦长处和距前缘 9 0 ％弦长处 ； 4 在 F F A W3 - 2 1 1 翼 型敏感粗糙带 位置布 置 0 ． 6 mm粗糙度可推迟其转捩点 ， 但并不能改善 其气动性能。在翼型压力面尾缘增加适当粗糙度 的粗糙带可增大翼型升力系数的结论并不适用于 该翼型。 参考文献 [ 1 ] 任年鑫． 海上风力机气 动特性 及新型浮式系统 [ D] ． 哈尔滨 哈尔滨工业 大学 土木工程学 院， 2 011 ． [ 2 ] 包能胜 ， 霍福鹏， 叶枝全， 等． 表面粗糙度对风力机 翼型性能 的影响 [ J ] ． 太 阳能学报， 2 0 0 5 ， 2 6 4 45 8- 462． [ 3 ] 张国强． 翼型流动的稳定性分析与结冰对风力机翼 型气动性能的影响[ D] ． 上海 上海理工大学能源 与动力工程学院， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 铁庚 ， 祁文军． 水平轴风力机叶片翼型的气动特性 数值模拟[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 3 ， 4 1 3 2 9 - 3 3 ． [ 5 ] 黄靓 ， 李景银， 高远． 基于响应面法的风力机翼型气 动优化设计[ J ] ． 流体机械 ， 2 0 1 1 ， 3 9 3 2 1 2 4 ． 下转第 6 2页 6 2 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 42， No ．1， 2 01 4 却系统有借鉴意义。 参考文献 汪蕊， 贺小华． 薄膜蒸发器 内流体流动模拟[ J ] ． 南 京工业大学学报， 2 0 0 4 ， 2 6 1 7 2 - 7 7 ． 王军， 吴苇， 罗荣， 等． 空调用贯流风机的内流模拟 与性能研究 [ J ] ． 工程热物理学报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 4 5 9 2 - 6 9 4 ． Gu i l h e r me B． Ri b e i r o ， J a d e r R． B a r b o s a ， A l v a r o T P r a ． t a ． Mi n i c h a n n e l e v a p o r a t o r b e a t p i p e a s s e mb l y f o r a c h i p c o o l i n g v a p o r c o mp r e s s i o n r e f ri g e r a t i o n s y s t e m [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l j o u rnal o f r e f ri g e r a t i o n ， 2 0 1 0 ， 3 3 1 4 0 2 1 41 2 ． C h e n L i n ， We n j i a n C a i ， Y a n z h o n g L i ， e t a 1 ． P r e s s u r e r e c o v e r y r a t i o i n a v a r i a b l e c o o l i n g l o a d s e j e c t o r - b a s e d m u l t i e v a p o r a t o r r e f r i g e r a t i o n s y s t e m [ J ] ．E n e r g y ， 2 0 1 2， 4 4 6 4 9 - 6 5 6 ． Mi t h r a r a t n e P ， Wi j e y s u n d e r a N E ． A n e x p e ri m e n t a l a n d n u me ri c al s t u d y o f t h e d y n a mi c b e h a v i o r o f a c o u n t e r fl o w e v a p o r a t o r[ J ] ． I n t e r n a t i o n a l j o u r n al o f r e f r i g e r a t i o n， 2 0 0 1， 2 4 5 5 4 - 5 6 5 ． 阮并璐 ， 刘广彬， 赵远扬 ， 等． 制冷系统中水平管降 膜式蒸发器内部流动数值模拟 [ J ] ． 西安交通大学 学报， 2 0 0 8 ， 4 2 3 3 1 8 3 2 2 ． 张猛， 周帼彦 ， 朱冬生． 降膜蒸发器的研究进展[ J ] ． 流体机械 ， 2 0 1 2 ， 4 0 6 8 2 - 8 6 ． 吴开荣， 金苏敏．组合式热管蒸发器在污水源热泵 中的应用 [ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 4 8 2 - 8 6 ． Ka k a c S， B o n B ． A R e v i e w o f t wo p h ase fl o w d y n a mi c i n s t abi l i t i e s i n t u b e b o i l i n g s y s t e ms [ J ] ． I n t e r n a t i o n al J o u rnal o f H e a t a n d Mass T r ans f e r ， 2 0 0 7 ， 5 1 3 3 9 9 433． [ 1 0 ] 仲崇宝， 周长茂， 孔铁， 等． 基于 F l u e n t 的夹套式热 管热交换器的数值模拟[ J ] ． 石油化工设备 ， 2 0 1 2 ， 4 l 2 1 2 - 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