垂直轴风力机适用于任何风向,无需偏航装置；传动机构至于地面,易于运行与维护；叶片制造加工容易、成本低以及噪声小等优点,受到人们越来越多的关注,逐渐向大型化的方向发展。准确的风力机气动性能分析与设计是保证风力机安全可靠地运行,推动其快速发展的关键。垂直轴风力机气动性能的研究方法包括实验法、模型法和数值法。实验方法实施比较困难,测量数据有限。模型法主要指基于动量定理和叶素理论的流管模型。数值法主要包括基于势流数值计算法的涡流模型和基于Navier-Stokes方程的CFD数值模拟方法。无论是流管模型还是涡流模型,对于流体粘性因素的考虑都是基于风洞实验得到的翼型气动性能数据。目前,CFD方法以其突出的优势在风力机气动性能的研究方面扮演着越来越重要的角色。为此,本文采用CFD商用软件FlowVisionHPC,选用SST湍流模型,假设全流场为湍流流动,研究了升力型垂直轴风力机的非定常粘性绕流场。首先,采用CFD软件FlowVision HPC以实验模型为研究对象,研究了单叶片和三叶片结构的H型风力机的二维非定常粘性绕流场和三叶片结构的H型风力机的三维非定常粘性绕流场。将计算结果与实验值进行了比较,确定了计算方法的正确性。分析了一个旋转周期内叶片和风轮的切向力系数的变化,风轮附近的流动细节,流场的速度分布和叶片脱落涡的运动规律。通过以上研究发现三维数值模拟的计算结果更加接近实验值,但是风力机的气动载荷仍低,主要是由于叶片两端的叶梢涡非定常运动和低叶尖速比时叶片出现动态失速现象所致。针对这两个空气动力学问题论文提出了在叶顶加装端板的方法来削弱叶梢涡的强度和采用变桨方式调节叶片攻角的变化范围来提高风力机的气动载荷。将实验模型的叶片两端加装了端板,采用相同的数值模拟方法,选择低、中、高三个叶尖速比进行了研究。分析了叶顶处相对速度的变化和叶片吸力面的压力分布,揭示了加装端板后风力机气动载荷提高的原因。之后,建立了变桨式H型风力机的二维非定常粘性绕流场的数值模拟方法。分别采用固定叶片桨距角和动态变桨方式来调节攻角的变化范围,讨论了桨距角变化对风力机的功率系数、气动载荷,以及一个旋转周期内不同时刻非定常速度场、涡量场的影响,揭示了变桨式H型风力机气动载荷提高的原因。通过以上研究发现H型风力机的尾流较复杂,尾涡不断脱落其非定常运动是值得深入研究的问题。基于此,选用两台实验模型为对象,研究了风力机间距不同时,上游和下游风力机各个叶片的切向力系数随相位角的变化和风力机尾流区不同位置处的速度分布,以及一个旋转周期二维非定常速度场、涡量场和湍动能的变化,揭示了尾流效应对下游风力机气动特性的影响,为风电场中风力机的排布设计提供参考依据。针对H型风力机自启动能力较差的问题,以实验模型为对象,研究了H型风力机自启动的气动性能。在把计算的风力机自启动过程中转速随时间的变化曲线与实验数据进行比较的基础上,揭示了风力机的扭矩随启动时间的变化规律。分析了叶片桨距角不同时的风力机自启动特性,讨论了启动过程中不同时刻桨距角变化对三叶片H型风力机二维非定常粘性速度场的影响。此外,还采用基于动量理论的均匀多流管模型和多流管型建立了计算Φ型风力机气动性能的方法和程序。在多流管模型中加入了附加阻力系数修正和动态失速修正。研究了不同实度和高径比对Φ型风力机工作特性的影响,给出了风力机设计时应选择的实度和高径比的范围,这些内容写在论文的附录中。