随着风电行业的快速发展,具有巨大发展潜力的海上风电受到广泛关注。垂直轴风力机在大型化、安装与检修、风电场布置、气动噪声等方面优势的凸显,使其成为研究热点。风力机气动载荷的非定常效应给垂直轴风力机的设计带来困难;为解决风力机存在的噪声污染问题,需要研究风力机噪声产生机制和传播机制。深入研究垂直轴风力机的空气动力特性和气动噪声特性是推动新型垂直轴风力机发展的需要,准确模拟风力机的动态响应和载荷变化规律,有助于推动垂直轴风力机的大型化发展。本文运用数值模拟方法研究H型垂直轴风力机的空气动力特性,详细分析了不同工作条件下垂直轴风力机气动响应的变化规律。对垂直轴风力机三维非定常数值模拟,通过与实验数据对比验证计算模型的准确性。研究了不同叶尖速比下风力机的风能转换率、叶片力系数以及叶片脱落涡等气动效应,详细分析了风轮附近的流场细节。研究结果表明:风力机叶片的力系数变化周期性较强,下风区的叶片力系数不规则波动较大,非定常效应显著。叶片附近漩涡的产生和脱落呈现明显的规律性,随着方位角增加,叶片表面涡结构逐渐从尾缘向前缘移动,直至发生流动分离,同时叶片两端形成周期性的条状脱落涡。因风轮顺时针转动,低速尾流区逐渐向下偏移。研究了H型垂直轴风力机气动噪声的产生机制和来流条件对噪声的影响。运用计算流体动力学方法获得风力机的流场特性,利用Ffowcs Williams and Hawkings声类比法开展噪声预测。研究结果显示,厚度噪声和载荷噪声在风力机单音噪声中发挥主要作用,更高的叶尖速比和增大的叶片表面载荷增加了总噪声强度。高湍流强度引起的噪声声压级增量在高叶尖速比下相对较小。叶片前缘效应是风力机重要的噪声源,涡结构和叶片间更强的相互作用增加了总噪声强度。本文研究成果为H型垂直轴风力机的结构设计和降噪设计提供了重要的参考依据,对新型垂直轴风力机的设计和发展起到推动作用。