近地面大气层的复杂流动给风力机的运行带来了众多不确定性因素，因此风力机空气动力学的特点是高度非定常三维流动。作为风力机设计的基础和依据，风力机空气动力学备受关注，非定常气动特性的模拟也极具挑战性。涡尾迹方法本质上具有旋涡特性，计算成本与CFD方法相比更小，比叶素动量理论更精确，是模拟风力机尾流的较为灵活的数值工具。采用Weissinger-L升力面模型描述叶片的气动特性，该模型的特点是快速高效且又能很好地计入叶片的三维效应。采用一种经验方法来计算翼型静态的升阻力特性。将曲线涡元简化为直线涡元，运用Biot-Sarvart定律求解尾涡对空间点的诱导速度场，同时引入粘性涡核模型消除涡元诱导速度公式在数值上的奇点，并用涡环计算验证了涡模型的有效性。建立了松弛迭代法和时间步进法对涡线控制方程进行离散求解。松弛迭代法中对时间步和空间步的微分均用五点中心差分格式，采用“虚拟周期”的概念提高迭代的稳定性，并发展一种自适应松弛因子方法，改善数值迭代的稳定性和提高收敛速度。时间步进法中，对时间步微分采用线性多步法推导出一个新的三步三阶预估-校正差分格式，称为D3PC格式。分析了六种现有的三维旋转效应模型。从各个模型的计算效果来看，三维旋转效应模型能够有效提高涡尾迹计算风力机气动性能的准确性。通过比较，选定Du-Selig模型作为本文应用模型。根据叶片的三维旋转效应改进二维动态失速L-B模型，给出一种风力机叶片的气动力动态失速模型。模型中修正了描述附着流流动的法向力斜率Cn以及描述分离点位置的两个重要迎角1和2。用NREL phase Ⅵ实验的叶片剖面测量数据验证新的动态失速模型，叶片整个展向的翼型升力系数与测量值都比较吻合，阻力系数的准确度有所提高。自由涡尾迹（时间步进法）与新的动态失速模型耦合形成非定常时间准确模型，计算NREL phase Ⅵ叶片偏航状态下的叶片载荷，结果表明新模型结果比二维动态失速模型更为准确。采用自由涡尾迹（松弛迭代法）计算NREL phase Ⅵ叶片的尾迹形状和稳态性能。自由涡尾迹模型能够模拟出尾迹形状的畸变和自由卷起，叶尖涡涡核位置和流场结构信息与CFD方法计算结果或者实验结果吻合。在准确计算出尾迹形状的基础上，气动载荷和性能与实验值也非常吻合。基于尾迹形状自由卷起的特征，建立了涡面/涡环混合自由涡尾迹方法，并用NREL phaseⅥ叶片验证了该方法高的效率和高的准确度。分析了大型风力机叶片NH1500的气动特性，自由涡尾迹给出的功率系数均略高于实验值。主要有两个原因：第一，自由涡尾迹方法只在涡核内考虑了粘性而不是整个流场都考虑粘性；第二，实验模型中雷诺数大大小于全尺寸叶片，导致功率系数必然会低于全尺寸叶片。采用非定常时间准确模型计算了NREL5-MW的非定常气动特性，包括极端运行阵风、极端风向变化和漂浮平台运动的作用。模拟中成功地得到风轮气动性能在外界扰动下的响应曲线，且能观察到尾迹由一个流态变成另一个流态的滞后效应，即动态尾流效应。在漂浮平台运动响应的模拟中，得到纵摇在三种角运动中对风力机气动特性影响最大的结论。实现自由涡尾迹与面元法耦合，用于风力机整机气动特性计算和分析。机舱和塔架采用面元法建立面元模型，平面面元形状为四边形。计算结果表明：机舱径向尺寸大大小于风轮半径，且处于风轮中心，所以对风轮的功率系数影响很小；风力机塔架的安全距离使得塔架对风轮气动特性影响也很小。偏航状态下，偏转后的叶根尾迹在机舱一侧存在畸变，机舱和塔架对风轮平面内（尤其是靠近叶根处）诱导速度分布的影响比较明显，因而影响气动载荷分布。