西北地区的风力机长期在风沙环境中运行,沙尘颗粒不仅使叶片产生磨损,而且通过和空气的相互作用改变来流中的风能,进而影响风轮功率的输出。因此,研究风沙环境下沙尘颗粒与翼型壁面及空气的相互作用机理尤为重要。本文以风力机专用翼型S809为研究对象,基于欧拉-拉格朗日方法,采用SST k-ω湍流模型和DPM模型,通过探讨各雷诺数下不同直径颗粒在翼型流场中的运动特性,研究了不同直径颗粒与翼型壁面的作用,以及颗粒对翼型气动性能和流场结构的影响。另外,考虑颗粒重力效应,研究了叶片在不同方位角处翼型(叶素)气动性能的变化,进而分析了对风轮的影响。1)为确保模拟方法的准确性,对采用的SST k-ω湍流模型和DPM模型进行了验证计算。针对SST k-ω模型,通过改变其封闭常数β*,在多个雷诺数下进行翼型升、阻力系数的验证。发现小攻角(约α<9°)时,封闭常数β*=0.09更符合实验结果,尤其是在小雷诺数下;大攻角(约α≥9°)时,β*=0.11更符合实验结果。另外,DPM模型的颗粒入射类型和轨道密度对翼型升阻力系数存在影响。研究发现,采用group入射类型能取得更好的模拟结果,颗粒轨道密度选取250较合适。2)研究了各雷诺数下不同直径颗粒在翼型流场中的运动特性,以及其对翼型气动性能和流场湍动能的影响。结果发现,直径小于5μm的颗粒在各雷诺数下的跟随性均较好,绕流特性突出,与翼型壁面的作用基本不受雷诺数的影响;直径在5~50μm之间的颗粒与翼型壁面的相互作用受雷诺数的影响较大;直径大于50μm的颗粒开始直接撞击近前缘吸力面和压力面,撞击力度随雷诺数和粒径的增大而增大。距风轮叶尖越近,撞击叶片近前缘驻点处的颗粒的最小直径越小,是导致各段叶素磨损率不同的因素之一。各雷诺数下,50μm颗粒对翼型升、阻力系数的影响最大。当颗粒直径小于50μm时,翼型升力系数随粒径的增大而减小,阻力系数则增大;当颗粒直径大于50μm时,翼型升力系数随粒径的增大而增大,阻力系数则减小。在雷诺数Re=2×105下,5μm和50μm颗粒可以抑制湍动能的发展,其中50μm颗粒的抑制作用较强。3)雷诺数Re=1×106下,翼型各攻角升、阻力系数的模拟值与实验值吻合较好,故选取雷诺数Re=1×106进行多攻角下,不同直径颗粒的运动特性及其对翼型气动性能影响的研究。结果表明,攻角8.2°下的分离涡较小,对0.5、10、50和100μm颗粒的运动轨迹均无影响,攻角12.2°下的分离涡对0.5μm颗粒的影响较小,而攻角18.1°下的分离涡卷吸了大量直径为0.5μm的颗粒。当颗粒直径小于50μm时,攻角越大,颗粒的最大速度位置沿流向与前缘的距离越小,且最大速度值越大;当颗粒直径大于50μm时,三个攻角下最大速度位置的变化与直径小于50μm的颗粒一致,最大速度值则差别不大。同一攻角下,颗粒直径越大,颗粒的最大速度位置与前缘的距离沿流向越大,且最大速度值越小。攻角18.1°下,直径为0.5和1μm颗粒会增大翼型的升力系数,其中前者的增升效果更明显。4)考虑颗粒重力效应,研究了叶片在不同方位角时翼型的气动性能及其引起的风轮受力变化。研究发现,随着叶片的转动,颗粒的沉降方向与其相对翼型运动方向的夹角存在着周期性变化。相比在方位角0°和180°处的翼型升阻力系数,翼型在方位角0°~180°之间的升、阻力系数都减小,且在方位角90°处达到最小值;在方位角180°~360°之间的升、阻力系数都增加,且在方位角270°处达到最大值。由风轮轴向力变化产生的俯仰力矩和偏航力矩也成周期性变化,且周期为风轮旋转周期的一半。另外,由于两个叶片的周向力在不同方位角时的差异不同,且呈周期性变化,导致风轮转动出现忽快忽慢的现象,增加了功率输出的不稳定性。