风轮的空气动力学特性是风力机工程研究的核心内容之一。气动性能良好的风力机不但可以获得较高的功率系数,取得良好的经济效益,而且在安全可靠性及减少环境噪声污染等方面都具有良好的性能。特别是随着兆瓦级风力机的普及,其风轮直径越来越大,需要研究更为可靠的气动载荷预估方法和计算模型,对风力机叶片进行准确的结构设计和性能计算。而这些预估方法和计算模型的准确性主要依赖于对风力机失速特性的研究。本文主要以国家973计划项目风力机外场实验机组和风力机常用翼型为主要研究对象,通过理论分析、数值计算及外场实验相结合的方法,分别对风力机常用翼型及叶片的静态失速、动态失速及三维旋转效应等展开研究。其中,静态失速的数值研究主要参阅美国国家可再生能源实验室已公开的二维风洞实验数据。动态失速特性的数值研究主要参阅美国俄亥俄州立大学对S809振荡翼型风洞实验的结果。外场实验主要通过测试风力机叶片在不同工况下的表面压力分布,了解旋转过程对叶片表面压力分布的影响,并将实验测试结果和二维、三维数值模拟的结果进行对比分析,探索高精度的数值计算方法,进一步了解三维旋转效应对叶片各端面翼型失速涡的影响机理。研究成果有助于建立更为准确的风力机载荷预估模型,为大型风力机的结构设计和理论研究提供可靠的技术参考。本文研究的主要内容及成果包括:1)与二维风洞实验数据进行对比,验证了带转捩修正的SST k-ω湍流模型在翼型气动性能研究方面的准确性,并借助于此计算模型,对NACA44XX系列翼型进行数值计算,重点研究了雷诺数、翼型厚度和表面粗糙度等因素对其失速特性的影响,认为翼型相对厚度的大小及位置对翼型失速特性有较大影响,0.5mm是影响翼型表面气流分离的关键粗糙度。对NACA4412翼型及其尾缘改型的Gurney翼型、钝尾缘翼型进行数值研究后认为,2%弦长的钝尾缘改型翼型具有良好的失速特性,属于低噪音翼型,但力矩特性呈现不稳定性。2)借助广义代数模型和非结构动态网格变形技术,对S809翼型做俯仰运动时的失速特性进行数值计算,研究了初始攻角和折算频率等因子不同时气动力迟滞曲线的变化规律,并将俯仰运动状态下的升、阻力系数迟滞曲线与静态翼型的升阻力系数曲线对比后发现,在小攻角范围内翼型静态和动态的气动特性差别不大,到失速区时二者有明显的区别。对一个振荡周期翼型流场及尾涡的变化过程进行分析后认为,动态失速现象的产生与翼型表面的非定常分离和涡流的干扰有密切关系。3)利用滑移网格法对垂直轴风力机的气动特性进行数值研究,通过研究翼型种类、翼型厚度及翼型实度对垂直轴风力机力矩特性的影响后认为,在垂直轴风力机叶片的旋转过程中,大部分区域均处于大攻角失速分离的状态;实度的大小会直接影响叶轮内部流场的分布和旋转区域风速的降幅;随翼型厚度的增大,力矩曲线逐渐向小尖速比方向漂移。4)借助国家973项目风力机外场实验平台,开展了风力机叶片测压实验。通过比较在停车和旋转等不同工况下,风力机叶片表面的压力分布特征,发现在不同工况下叶片表面压力分布存在较大差异,在旋转工况下叶片表面压力分布产生较大波动,特别是在叶片根部,压力分布较为紊乱。说明旋转状态下风力机叶片表面存在强烈的气流分离。5)基于LES算法,对实验机组进行全尺寸三维数值模拟,并将计算结果与外场实验、二维数值计算结果对比分析后认为,三维数值模型充分考虑了旋转效应和c/r等多个因素对风力机失速特性的影响,能较好地模拟风力机叶片旋转过程的失速特性,相对于二维叶素-动量理论,其计算结果较接近于实验值。但在叶根,因忽略了轮毂绕流等影响因素,模拟结果和实验值存在较大差异。目前常用的二维翼型计算数据忽略了三维旋转效应的存在,在风力机叶轮气动性能预估中应考虑修正。论文将理论分析、数值计算及外场实验相结合,较全面地研究了风力机的失速特性,优化了计算模型,为深入研究风力机空气动力学,促进风力机整体研发水平提供技术参考。