风能作为清洁的可再生能源,其发展越来越受到重视,而风力机作为收集风能的最主要的装置,近些年正在快速发展。海上寒区风速大且空气密度高,更有利于风力发电,因此寒区海上风力机的建设已成为一种重要发展趋势。风力机在寒区运行过程中不可避免将面临结冰问题,而海上风力机处于恶劣环境气象条件,其结冰机理、结冰形态与特性复杂,影响因素众多,并将直接严重影响风力机的气动力学特性,目前国内外学者对此鲜有研究。因此,开展寒区海上风力机叶片的结冰预报以及结冰后气动性能研究显得十分必要。本文基于Fluent与FENSAP-ICE软件采用数值模拟方法对风力机叶片结冰特性及气动性能进行研究。针对霜冰和明冰结冰两种不同的结冰类型,借助叶素动量理论,解决了叶片旋转引起的空气绕流问题;利用FENSAP-ICE网格自动更新和ICEM手动更新网格的方法,实现了叶片结冰网格的动态更新;开展风力机叶片结冰特性研究,获得了叶片典型位置处的结冰模式、过程、形状;并通过控制变量法对海上环境温度、液态水含量、平均水滴直径、风速等关键环境参数进行敏感性分析;最后开展了叶片结冰对其翼型压力系数、流场分布和升阻力系数等主要气动性能参数的影响研究。本文的具体研究内容可分为:（1）风力机叶片结冰理论和仿真方法的研究。在国内外有关风力机结冰研究的基础上,分析了风力机叶片的结冰机理,探讨霜冰、明冰和混合冰三种典型结冰类型以及各自的物理特性,对风力机叶片空气流场、水滴撞击特性和结冰生长等计算方法进行了比较分析;基于叶素动量理论,解决了风力机多叶片旋转对空气流场影响的问题;开展了风力机叶片结冰网格更新关键技术研究,并将数值模拟结果与试验研究结果进行对比研究,验证本文的数值模拟的计算精度与可靠性。（2）寒区海上风力机叶片结冰特性研究。确立本文寒区的研究区域及海上气象条件,选取NERL 5 MW参考海上风力机作为本文的研究对象,确定了模型计算域和叶片微段网格划分方法、网格更新时间步长与计算时长和流场计算的边界条件;开展典型结冰环境条件下风力机叶片结冰形状研究,获得风力机叶片7种典型位置在霜冰和明冰结冰模式下的结冰外形。结果表明:在相同的结冰条件下,叶片外三分之一位置处结冰明显;在相同的结冰环境和结冰时长的条件下,叶片上相同位置处霜冰结冰的结冰量多于明冰结冰的结冰量;霜冰结冰更加规则,明冰结冰形状不规则,有明显的棱角,结冰附着面更大且粗糙。（3）寒区海上风力机叶片结冰敏感性研究。本文分析并确定了影响风力机叶片结冰的主要环境因素,通过控制变量法计算分析了环境温度、液态水含量、平均水滴直径、风速主要环境参数对叶片霜冰和明冰结冰的影响,获得相关影响规律,并比较分析了海上风力机与陆上风力机叶片结冰特点。得出结论:液态水含量和平均水滴直径的增加都会使叶片表面的结冰量增加,液态水含量的变化不改变冰与叶片的附着面,而平均水滴直径的增加,会扩张冰与叶片的附着面;在达到额定风速11.4 m·s-1之前,风速不直接影响结冰外形,但是达到额定风速之后,结冰量明显增加;环境温度对霜冰结冰的影响较小,但当环境温度满足明冰结冰条件时,环境温度越低,形成的明冰越多;在常规风速条件下,风速对寒区海上风力机的结冰影响较小,而这是与陆上风力机结冰最明显的区别。（4）结冰叶片的气动性能研究。重点研究风力机叶片关键位置处结冰对其翼型气动性能的影响,分析选取叶片关键结冰位置,研究霜冰和明冰结冰条件下叶片翼型的压力系数、流场分布和升阻力系数等主要气动性能参数,进行结冰前后气动力学特性比较研究;其后开展了不同叶尖速比下的叶片气动力学特性影响研究。结果表明:结冰对叶片外侧5%区域上气动性能的影响较大,此处霜冰结冰主要影响翼型前缘区域的流场分布,明冰结冰直接影响了翼型表面的流场分布;明冰结冰相较于霜冰对翼型的升阻力系数影响较大,明冰结冰使翼型的升阻比降低了约26.7%,升阻比因霜冰结冰降低了约为10.7%;小范围提升叶尖速比有助于改善结冰后翼型的气动性能。