随着人们对生存环境的日益重视,可再生新能源利用越来越受到关注,风力发电作为重要的可再生能源技术快速发展,近十几年来,各种风力发电机如雨后春笋般地在陆地和近海海面竖立起来。风力机从结构形式分类,可以分为水平轴和垂直轴两种,水平轴风电机组是目前最常见的风力发电型式,其特点是风力利用率较高,但技术已经相对成熟的同时也出现了超大型风力机安装、维护、运营成本居高不下等技术瓶颈,使得风电成本难以大幅下降,这给该类风力机的继续发展留下了难题。另一种垂直轴风力机型式在发展之初就由于缺乏有效的设计计算方法等原因,使得该类风力机的发展受阻。随着流体力学在设计计算技术方面的长足进步,以及水平轴风力机发展中遇到的诸多现实问题,垂直轴风力机的独特技术特性又引起了研究者极大兴趣。课题组提出了一种基于马格纳斯效应的垂直轴风力机的风力发电型式,与传统水平轴风力机相比,该类风力机从制造、运维成本等方面都呈现出独特的技术特点,前期研究已经对该类风力机技术特征与水平轴风力机做了系统比较,发表了相关理论分析成果,本文则进一步围绕其机械结构设计、控制系统、运动特性、数值模拟等方面展开研究。首先根据马格纳斯风力机的运行特点,设计了一种轮轨式机械结构的垂直轴风力机结构模型,将马格纳斯风力机和模型小车相结合,外力带动风力机叶片在风场中自转,由此产生了比施加的外力大的多的马格纳斯力带动模型小车在环形轨道上公转,将风能转化为模型小车的动能。显然,本风力发电型式能否最终转化成实用技术,可获得的风能利用效率、设计计算方法等各种技术指标至关重要,需要做进一步的理论探索。由此,本文在前期研究的基础上,进一步结合模型小车的运动特性,设计了闭环控制系统,根据模型小车的位置调节转速并在换向点控制叶片转向,探索计算出该类风力机的风能利用率;然后根据空气动力学知识,采用非惯性坐标系下的流函数-涡量形式,基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程,结合湍流模型和二阶迎风算法,分析了马格纳斯风力机动态失速下的运动特性,并利用膨胀模型对风力机下风处风轮的功率进行修正;最后利用流体仿真软件Fluent,基于马格纳斯风力机数学模型,从三维角度对马格纳斯风力机单叶片进行了静止和旋转两种状态的数值模拟,得出三个方向的流场和压力分布状况;同时对马格纳斯风力机组进行了三维数值模拟仿真数值计算,得出了叶片在特殊位置时的升阻力和叶片中心转矩。以上研究结论为进一步的模型机结构设计及实验研究提供了必要的理论基础。