风能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，具有广阔的应用前景和开发潜力。我国的风能资源丰富，大力发展风电事业符合我国坚持可持续性发展的战略方针。水平轴风力机作为最主要的风能利用装置得到了高度重视和飞速发展，每年的装机容量以30％以上的速度增长，目前已占全世界风力发电装置的97％以上。近年来，将空气加工动力学的理论应用于改进水平轴风力机设计的研究逐步深入，随着计算机技术和计算流体力学的发展以及三维流场动态测试技术的进步，为水平轴风力机研究水平的提高提供了有利条件。 风力机的尾迹结构、尤其是近尾迹区诱导速度场的分布，最终表征着作用在风轮叶片上的气动载荷。因此，风轮尾迹的流动分析一直是风力机转子空气动力学领域的重要研究工作。越来越多的研究表明，风力机尾迹流动对风力机的设计和性能预估有着不可忽略的影响。本文全面系统地研究了水平轴风力机尾迹发生、发展、湮灭的规律，得出风轮流场尾迹区速度分布，分析风轮的空气动力学特性。在此基础上，针对水平轴风力机风轮的偏航特性、失速延迟特性、动态失速特性等关键气动问题进行了数值模拟研究。最后，采用涡流理论，建立了风力机叶片气动载荷的预估模型。研究成果对于提高水平轴风力机空气动力学设计水平具有重要的学术意义及工程应用价值。 本文主要研究内容和研究成果如下： 1．参照国家通风机空气动力学性能测试标准，搭建了性能测试试验台，设计加工实验模型风力机。在不同叶尖速比下对模型风力机进行气动试验，获得模型风力机的空气动力学特性曲线。 2．在不同叶尖速比下，采用热线风速仪对模型水平轴风力机流场进行测量，得出风轮尾迹区三维速度场的散点分布。采用尾迹宽度、尾迹中心线速度以及速度分布等参数对风轮尾迹流动的平均特性进行了研究。研究表明：风轮下游的尾迹区内气流存在明显的三维流动。尾迹在向风轮下游的发展传播过程中，尾迹中心位置向下游发展所形成的运动轨迹是与风轮叶片旋转方向相反的螺旋线。风轮下游的尾迹区内存在速度亏损，速度亏损随着风轮下游轴向位置的增加而减弱，轴向速度亏损形成的波谷曲线也渐趋平缓。在z/c=0.5～2.0区域内，尾迹区的速度恢复较快。在z/c=2.O位置，尾迹区的速度恢复变慢，尾迹宽度继续增大。4倍叶片弦长以后，尾迹区的速度已接近非尾迹区速度，尾迹宽度不再扩大，逐渐与主流掺混融合。 3．在不同叶尖速比下，采用粒子图像测速仪PIV测量风力机流动速度场的整场信息，获得包括旋转叶片之间区域在内的风轮流场整场速度分布，进而分析了风轮尾迹涡从叶片尾缘脱落后，在向下游发展传播过程中，尾迹涡涡心的运动轨迹以及涡量的变化。实验表明：风轮叶片尾缘附近的尾迹中存在明显的轴向速度亏损区。尾迹在叶片尾缘生成后，随即发生膨胀。直到风轮下游2倍弦长以后，尾迹低速区逐渐衰减，轴向速度不断增加，尾迹区同时发生收缩现象。风轮尾迹涡从叶片尾缘脱落后，在向下游发展传播过程中，尾迹涡的涡心所形成的运动轨迹是与风轮叶片旋转方向相反的螺旋线，涡量数值随着螺旋线向风轮下游的延伸而减小。 4、对不同偏航角下的风轮偏航特性进行数值模拟研究。计算表明：偏航风轮靠近上游前沿处的尾迹静压亏损大于后缘尾迹的静压亏损，随着偏航角的增大，风轮前沿处尾迹的静压亏损与后缘尾迹的静压亏损相差的程度越大。风轮上的压力分布使得作用在偏航风轮上的推力由后缘到前沿逐渐增大，从而形成偏航恢复力矩。偏航风轮的尾迹在靠近上游前沿处的流管由于膨胀角与偏航角相互消减，流管与风轮盘面的交角接近90°。在靠近下游的风轮后缘，由于流管的膨胀角与偏航角相互叠加使得流管与风轮盘面的交角更加倾斜，从而使偏航风轮的尾迹流场发生畸变。 5．对风力机失速延迟特性进行数值模拟研究，探讨了风轮旋转对于失速延迟的作用机理。在叶片旋转情况下，由于离心力的作用促使气流向外径方向移动，同时哥氏力产生附加的正压力梯度使得气流的稳定性提高，造成翼型表面的静压分布与二维静止条件时存在较大差别，导致用二维理论计算的风轮失速工况在实际的三维旋转条件下并没有出现。在实际三维旋转条件下，叶片表面气流的分离失速点后移，在部分区域甚至不出现分离，发生失速延迟现象。因此，旋转速度对风轮叶片表面气流分离失速起到了缓解和延迟的作用。 6.对翼型动态失速特性进行数值模拟研究。研究表明：翼型动态失速与静态失速在流动特性上有很大区别。翼型在上仰过程出现的失速主要由翼型后缘分离引起，分离涡的影响范围较小，主要是在后缘附近。翼型下俯过程使失速进一步深化，翼型前缘出现分离涡，逐步后移，形成大尺度分离流动，并在后缘诱发二次涡，从而引起翼型升力、阻力系数呈现出较为显著的动态变化特性。翼型在动态失速工况下，其升力系数比静态失速有很大提高。因此，当水平轴风力机在动态失速工况下运行时，叶片得到的升力将大大高于额定工况，使风力机输出功率远远超过额定功率。如果在风力机的设计过程中，缺乏对动态失速特性的考虑，很可能造成对风力机性能的预估不足，并危及风力机的结构安全和运行稳定性。 7.采用广义经典涡流理论，通过环量与诱导速度的相互关系，推导出尾迹区诱导速度的二阶分布。然后，根据叶素理论，建立起封闭形式的环量方程，得出了估算风力机叶片气动载荷的模型。在模型中，考虑了诱导速度的变化，且直接与叶片结构参数和运行参数相关，该模型可用于改进风力机气动分析和工程设计。