大气环境中的风力发电机常常处于偏航状态下运行,导致风轮风能捕获率降低,且会严重影响风力发电机使用寿命,因此研究偏航工况下风力发电机的气动特性及流场特性具有重要的科学意义和工程实用价值。本文通过理论分析、外场监测、对比验证与湍流数值模拟相结合的方法,以外场水平轴风力发电机为模型,分析风力发电机在偏航工况下运行的气动特性,并采用凸包减阻理论对其叶片表面结构进行优化。主要研究内容包括以下几个方面:(一)研究了额定工况下水平轴风力发电机的气动特性及绕流场特性,结果表明:额定工况下轮毂位置处,沿径向速度亏损快速恢复;沿轴向的速度亏损随距离的增大而恢复减缓,剪切层起始位置向后延伸,高流速扩散区域逐渐缩小;塔影区域的速度损失导致叶片上切向力以及法向力降低。通过分离涡模拟(DES)方法得出风力发电机气动特性周期内的变化规律,气动荷载波动动量均小于1%,同时沿叶片0.6R处塔架与叶片相互影响最为强烈。(二)研究了偏航工况风力发电机气动特性,结果表明:偏航角的变化过程中,j(28)30~o时平均偏航力增长率为28.6%,偏航力矩取得最大平均值,且两者周期波动量均到达最大;当偏航角j330~o时,周期内俯仰力、俯仰力矩在波谷处大幅下降,其幅值变化加剧,回流区域范围急剧减小,并在其后方形成较大范围的低速尾流扩散区域,叶片压力面的压力急剧下降。在变风速工况中偏航力_zF、偏航力矩M_z随风速增加呈递增趋势,在偏航角j(28)30~o达到增长率最大值;俯仰力矩M_x随风速增加而增大,当偏航角j(28)30~o时,其增长率达到最大值。(三)采用NACA 0012二维翼型模型,研究凸包非光滑表面结构在翼型上的减阻特性,结果表明:半球形凸包结构的最优高度为0.004C,凸包结构在攻角a=10~o～16~°有较好的减阻效果,当凸包结构间隔比为3时,翼型达到最大减阻率12.69%,最大增升率为7.44%;流线型凸包结构最大减阻效果为攻角14°时,减阻率为17.39%。(四)研究凸包结构对提升风力发电机运行稳定性及功率的优化特性,结果表明:根据叶片翼型结果特征选用半球型凸包,根据叶片表面湍流动能分布区域确定凸包结构分布范围及排列方式。无偏航运行时,附加凸包结构后风力发电机流场中风能利用区域范围扩大;叶片表面分离点向尾缘推移;叶片吸力面湍流动能分布均匀化,增强其输出功率及运行稳定性;附加凸包后偏航力矩、俯仰力矩峰值变化在30%以上,风力发电机扭矩、推力分别提升了14.717%、5.412%,并随风速增加提升量趋于稳定。偏航运行时,附加凸包结构后偏航力矩的平均值、最大值、最小值分别降低了:35.18%、21.78%、64.27%,风力发电机扭矩、推力增长率为22.75%、8.84%,且功率输出稳定性良好。