浓缩风能型风电机组的核心部分是浓缩风能装置。浓缩风能装置的结构会影响到其平行管内部的风速,且会影响其扩散管内部的流动分离,进而影响其浓缩性能,需要对其结构进行优化;浓缩风能装置的选材会影响其成本及安全性,需要对其选材进行优化;结构优化及选材优化之前需要对其所用计算流体力学方法进行可靠性分析。(1)研究了浓缩风能装置所处流场的建模及仿真计算的可靠性基于计算流体力学中的控制方程、湍流的基本方程、湍流求解方法、湍流粘性模型进行建模仿真,给出浓缩风能装置车载试验各风速测试点的设置,对浓缩风能装置进行计算流体力学分析,得出与采用速度入口相比,采用质量流量入口可以使收缩管和平行管部分的计算结果更准确,并在后续仿真计算中入口条件采用质量流量入口;对浓缩风能装置所处流场进行网格无关性分析,得出划分网格时将相关中心设置为Fine,相关性设置为70时,流体计算结果在定性预测方面是可靠的,可以用来对浓缩风能装置进行结构优化;且风轮安装截面处计算结果多数相对误差在10%以内,基本可以满足定量预测要求;在网格无关性测试的基础上进行雷诺数无关性测试,最终结果表明,采用不同雷诺数进行的仿真计算,其结果之间平均相对误差差别较小;计算时采用的雷诺数与车载实验中的雷诺数稍有差别并不会在目前研究的流场中导致较大的误差,并且采用经计算得出的雷诺数进行计算其相对误差是最小的。(2)研究了浓缩风能装置的结构优化结构优化的方法是在原浓缩风能装置的扩散管外缘增加一段扩散管。根据新增扩散管母线的不同长度d及该母线与竖直方向的不同夹角α可以得出一系列浓缩风能装置模型;采用计算流体力学方法对不同结构的浓缩风能装置模型进行对比分析,得出性能较好的模型。分析新增扩散管对浓缩风能装置性能的影响机理,得出扩散管内壁面附近出现流动分离会使浓缩性能下降,且流动分离影响的是气流在扩散管内部从轴线至扩散管内壁面的径向扩散,而径向扩散的标志为轴线与扩散管内壁面之间出现顺压梯度。出现顺压梯度,则可以进行径向扩散;未出现,则径向扩散会受到阻碍,浓缩性能会变差。并且不同浓缩风能装置顺压梯度最早出现的位置相同处静压越低,浓缩性能越好。得出新增扩散管能够提升浓缩风能装置的浓缩性能的原因是气流在沿扩散管外壁面向新增扩散管外缘流动的过程中会加速,至新增扩散管外缘处后气流速度较大,并可以在新增扩散管后方形成低压区,进而可以对浓缩风能装置内部形成强烈的抽吸作用,提高浓缩风能装置平行管内部风轮安装平面的风速,进而大幅提升其浓缩性能。D为浓缩风能装置平行管内径,d和α分别为新增扩散管母线长度及其与竖直方向的夹角。分析了不同d值和α角度对浓缩风能装置性能的影响机理,并得出在待选的42种优化模型中,4-40号模型,即d值为0.4D,α角度为40°时,该模型为最优模型。(3)研究了浓缩风能装置的选材优化对结构优化后的浓缩风能装置模型进行选材优化设计。其方法是采用流固耦合的方法计算一定风速下风力载荷在由所选材料制成的浓缩风能装置上产生的最大应力;如果该最大应力小于所选材料的断裂应力,则该材料为可选用材料。在流固耦合分析中,为使计算结果更加可靠,对固体场进行网格无关性分析。分析结果表明,当体网格及面网格尺寸小于0.015m,网格数目大于216379之后,流固耦合计算的精度即满足要求。为尽量降低误差,采用体网格及面网格的网格尺寸均为0.009m的网格划分设置对固体场进行网格划分,并进行后续计算。对分别由聚碳酸酯、聚乙烯基木塑材料、有机玻璃制成的浓缩风能装置进行流固耦合分析,计算结果表明,当风速为25m/s时,由三种材料制成的浓缩风能装置在风中所受最大应力均远小于各自的断裂应力,且三种材料的等效变形量最大仅为5.9548 mm,因此在强度和刚度上三种材料均满足要求,三种材料可以被用来制造浓缩风能装置。给出了针对断裂应力、杨氏模量和泊松比均会随温度发生改变的材料的选材优化方法。