风力机是将风能转化为机械能的装置,叶片被誉为风力机的“心脏”。风掠过叶片表面时会对叶片产生压力差,在航空航天领域,把流体对固体的这种相互作用称为气动性能。研究叶片气动性能对风力机叶片的设计具有指导意义,同时研究叶片的气动性能也会提高风力机的风能利用率。为研究不同结构的风力机在不同工况下的气动性能,本文应用CFD方法,建立了实际尺寸水平轴风力机的三维空气动力学模型,深入研究了风力机气动性能及其影响因素。主要研究结果如下:(1)建立风力机转动的三维湍流空气动力学模型。其中采用多参考系(MRF)模型处理风力机的旋转运动,采用剪切应力输运模型(SST k-ω)处理湍流流动。(2)针对文献中风洞实验的风力机模型进行了数值计算,模拟结果和文献风洞实验测量值基本一致,验证了模型的准确性。(3)保持叶轮旋转速度不变,获得来流风速对风力机气动性能的作用规律。在风速为5m/s～20m/s的范围内,叶片压力面前缘压力最高,叶片吸力面前缘位置负压最低。且随着风速的增大,叶片迎风面的正压区面积和背风面的负压区面积均相应增大。风力机输出的轴功率随风速先增大后减小,在15m/s时,输出的轴功率值达到最大,风能利用系数在8m/s时达到最大值。(4)研究了叶轮旋转速度对风力机气动性能的影响。来流风速为15m/s时,转速在0r/min～40r/min范围内,风力机输出功率先上升后下降。转速在33r/min时,风能利用系数和输出功率最高。随着风速的增大,风力机最大功率和最大风能利用系数移向转速增大的方向。(5)获得叶片数对风力机性能的影响。随着叶片数的增多,风力机的最大风能利用系数增大;在风能利用系数相同的情况下,2叶片风力机需要较大的风速;同样转速下,4叶片风力机需要较大推力。并且叶片数目增多,制造成本提高。故推荐选取3叶片风力机。(6)分析了叶片安装角度对气动性能的影响。叶片安装角度增加,会使流动分离减弱,降低失速延迟现象,提高风力机功率。