在各种可再生能源中,风能最有开发价值。风轮叶片是风力发电机中最核心、最基础的部件,而叶片的截面翼型形状是叶片中最基础也最重要的几何特征,是决定风力机功率特性和载荷特性的根本因素。所以从影响风力机叶片及翼型空气动力学性能的物理本质出发,对风力机叶片及其翼型展开原创性的研究工作,设计出适用于风力机的综合性能优异的翼型和叶片,就显得尤为必要。　　 在国家自然科学基金项目(编号:50775227)和重庆市自然科学基金重点项目(编号:CSTC,2008BC3029)资助下,本文提出了“基于尾缘改型理论的风力机专用翼型和叶片设计及仿真理论研究”的研究课题。研究中针对风力机叶片的关键几何因素-翼型,提出一种混合式尾缘改型方法,以对现有的翼型表达方法进行参数化再设计,改善了原有的保角变换翼型泛函集成理论,克服了原有泛函集成方法无法对翼型尾缘附近形状进行有效控制的缺陷;综合考虑影响风力机翼型及叶片形状设计的多学科复杂耦合关系,探讨各个学科对风力机叶片翼型廓线的要求和影响规律;研究了多目标优化算法的运行机理,提出了一种加入了平衡算子的NSGAⅡ(Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm,NSGAⅡ)非支配排序多目标遗传算法作为设计工具,全面考虑各种工况下各种气动性能的耦合效应,使得翼型的优化设计能够在全局解空间中更好的向拥有更高综合气动性能的个体发展。设计得到了一系列综合性能优异的风力机专用翼型,并使用这些翼型设计了大型、小型两组风力机叶片。针对现有的通用的计算流体力学软件的特点,研究了适用于风力发电机这一特定工程问题的数值仿真理论,对实验翼型和叶片进行了模拟仿真,对仿真结果进行了详尽的分析,细化的研究了风力机叶片及翼型在运行过程中的气动流场特性,压力分布特性等物理本质,通过与实验数据的对比证明仿真结果与试验结果较为符合,验证了本文所采用的仿真手段的有效性。对所设计的翼型和叶片进行了仿真分析,仿真结果表明,使用了本文设计翼型的风力机叶片较实验叶片有更高的功率特性。论文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有:　　 ①针对现有翼型集成方法的不足,提出了一种混合式尾缘改型方法,该方法有效的克服了现有翼型集成方法无法针对翼型尾缘形状进行有效控制的缺陷。通过结合混合式尾缘改型方法和保角变换翼型泛函集成理论,形成了一种新的翼型参数化集成方法。通过分析这种新的集成方法与其他几种集成方法所设计的翼型的气动参数,证明了该方法控制翼型形状的全面性和有效性。　　 ②针对现有的非支配排序遗传算法NSGAⅡ的不足,提出了一种加入了平衡算子的NSGAⅡ多目标遗传算法,克服了原NSGAⅡ算法在非劣最优解中容易保持有大量单目标出色,而其他目标较差的个体,重复计算量大等缺点,使得群体中各项性能较为平衡的个体有更大的概率参与遗传操作,从而降低极端个体在算法中的适应度值,使算法寻优的过程更加顺利,为风力机专用翼型族的优化设计奠定了基础。　　 ③以结合了混合式尾缘改型方法和保角变换翼型泛函集成理论的翼型参数化集成方法为基础,使用加入了平衡算子的NSGAⅡ遗传算法为工具,面向多个气动性能指标,建立了风力机专用翼型的优化设计模型,突破了原有设计理论单一目标,串行化设计的限制,优化设计得到了一系列综合性能优异的风力机专用翼型。在相同雷诺数和相对厚度下,对优化翼型和工业中的现有翼型进行了性能计算比较,验证了本研究所提出的风力机专用翼型多目标设计理论和方法的有效性,为设计气动性能全面的高效率风力机叶片翼型奠定了良好的基础,拓宽了设计的思路。　　 ④进行了计算流体力学软件FLUENT中湍流模型对风力机气动性能分析适应性研究,通过对一个二维实验翼型使用三种湍流模型进行了仿真计算,得到翼型的各种气动性能参数。将三种计算结果与实验结果进行分析比较,确定了k-ω SST湍流模型作为风力机气动性能仿真计算的湍流模型。并对设计所得翼型进行了数值仿真模拟,探讨了翼型随着攻角变化的流场特性。　　 ⑤研究了三维风轮实体模型的外部流场域的网格划分方法和复杂三维模型气动问题的数值模拟收敛性及精确度控制方法。对一个三维风轮实体模型在多个工况下进行了模拟仿真。对计算得到的数值模拟结果与试验结果进行比较,对仿真结果的流场进行了详细的分析,揭示了风力机叶片及翼型在运行过程中的气动流场特性,压力分布特性等物理本质,验证了本章所建立的数值模拟方法的适用性与准确性。　　 ⑥使用本研究所设计的CS-SS小型风力机翼型族及CQU-TUS系列翼型设计了小型、大型两种风轮并使用与上述实验风轮相同的方法进行建模、网格划分及仿真分析,仿真结果表明:设计风轮较之试验风轮及NREL风轮有更高的气动性能,验证了本文所提出的风力机专用翼型集成表达方法、翼型尾缘改型理论以及翼型优化设计理论的可行性与优越性。