随着环境问题的日益突出,化石能源的渐趋枯竭,迫切需要大规模进行可再生能源的开发与利用。风力发电作为目前技术最成熟与最具规模开发的新能源,日益受到关注和重视。相比于水平轴风力机(HAWT)研究的深入,对立轴风力机(VAWT)的研究甚少。本文将采用理论计算与数值模拟相结合的方法,研究立轴风力机风轮的气动性能和绕流特性。主要包括四个部分:立轴风力机气动力与数值模拟基本理论、风轮气动性能计算、翼型数值模拟、风轮数值模拟。1)通过建立叶片与风轮的运动坐标系,详细分析了作用于风轮和叶片的气动力。阐述了单盘面多流管模型和双盘面多流管模型,给出了速度诱导因子的迭代求解算法。介绍了计算流体动力学(CFD)的基本理论及离散方法,分析比较了常用速度—压力修正方法的优缺点。2)应用流管理论并结合Gormont动态失速模型与Masse修正方法,对Φ-17m型风力机风轮气动性能进行了计算和分析,验证了流管模型的准确度和适用叶尖速比范围。取风轮赤道半径处叶素、单个叶片和风轮为研究对象,详细研究分析了风轮气动参数对其气动性能的影响规律。3)采用不同的数学模型模拟了NACA0018翼型±30 o攻角范围内翼型绕流特性,获得翼型升、阻力系数与气流分离特性。分析了绕翼型气流分离的各种状态与过渡过程,并对气流分离点随攻角的变化规律进行了讨论。4)采用SST k ?ω两方程湍流模型,结合动态网格和滑动网格技术,对两种转速下风轮二维绕流场进行数值模拟。获得了风轮的绕流特性以及作用于叶片与风轮的气动力与力矩,并对动态网格与滑动网格下获得的模拟结果进行了对比分析。本文研究证明:中、低叶尖速比下流管模型能较准确的预测风力机的气动性能,高叶尖速比时流管模型计算与试验结果相差较大,须结合动态失速模型及修正方法。采用RNG k ?ε湍流模型所得NACA0018翼型气动特性最接近实验数据。应用滑动网格与动网格技术均能较真实地反映风轮绕流场特性,动态网格技术能更加确切地反映风力机的启动过程及实际运行状况。