垂直轴风力机具有风向适应性强、结构强度高和成本低廉等特点,能适应多种复杂环境下的风电能转化,是未来绿色能源发展的重要研究方向。其中H型垂直轴风力机因其外型简单,更能突出垂直轴风力机运行过程的流动特点,所以针对垂直轴风力机的研究也大多围绕H型垂直轴风力机展开。本文针对H型垂直轴风力机的动态失速特性,提出了嵌套反转向构型的布局方式,期望通过内层反转向辅助叶片提高主叶片的扭矩系数。本文的主要工作内容是对传统垂直轴风力机构型、2.5D嵌套反转向构型垂直轴风力机、带小翼的垂直轴风力机、嵌套反转向垂直轴风力机以及带小翼的嵌套反转向垂直轴风力机进行数值模拟,通过5种构型的流场及气动力进行对比分析,研究嵌套反转向构型在气动方面的可行性。以下三个部分总结了本文的主要工作和结论:·基于高分辨率求解器的传统垂直轴风力机气动特性研究。利用课题组开发的高分辨率求解器,对流场中的涡系进行自适应网格加密处理。这种计算方式,提高了风力机尾迹流场中涡系结构的分辨率,更精确地揭示了三维涡系结构的时空演化过程。垂直轴风力机的三维涡系主要包括叶片上下两侧的翼尖涡系和沿叶片展向的展向涡系。展向涡主要包括前缘涡和尾缘涡,直接影响叶片上的压力分布,是影响切向力和扭矩系数最直接的因素。翼尖涡对叶片扭矩系数的影响,间接体现在与前缘涡和尾缘涡的相互诱导的过程中,这种诱导作用随着叶尖速比的降低而增强。·2.5D嵌套反转向垂直轴风力机气动特性研究。为了消除翼尖涡对展向涡系的诱导现象,针对性地研究嵌套反转向构型对垂直轴风力机展向涡系的动态失速特性的影响,将计算域设置为2.5D空间。研究发现,该构型能够有效抑制叶片的动态失速现象,内层辅助叶片可以促使主叶片的前缘涡提前脱落;下游区域主叶片处于内层辅助叶片的尾流中,从而主叶片在下游区域的流动分离现象减弱。扭矩系数的结果表明,嵌套反转向构型可以提高垂直轴风力机的扭矩系数,尤其是在低叶尖速比的情况下。·3D嵌套反转向构型垂直轴风力机气动特性研究。为了将嵌套反转向构型推广至三维模型,本文首先对三维垂直轴风力机模型的翼尖加装小翼,减弱翼尖涡对展向涡系的干扰。结果表明,加装小翼后垂直轴风力机的翼尖涡对展向涡系的诱导作用减弱,扭矩系数也有不同程度的提高。对比加装小翼的嵌套反转向垂直轴风力机构型的气动力特性,由于复杂的三维涡系干扰的原因,扭矩系数并没有明显的提高。