随着社会经济的不断发展,人类面临着环境污染日渐严重和能源紧缺等问题,因此国家大力提倡开发并利用可再生能源。风能作为一种清洁的可再生能源,近年来越来越受到人们的欢迎与青睐。风力发电机作为将风能转化为电能的重要装置,其大体上主要分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类。经过多年的发展,水平轴风力机发电机技术比较成熟。相比于水平轴风力机发电机,垂直轴风力发电机凭借结构简单,便于安装和维修,适应性高,无需偏航装置,叶片制造简单等优点逐渐进入研究学者的眼界,人们开始投入大量的资源探索垂直轴风力发电机。本文以H型垂直轴风力机为研究对象,主要研究内容如下:(1)基于叶素理论,对H型垂直轴风力机的运行机理进行了深入研究,得到了不同方位角下叶片攻角及作用在叶片上气动力的一般变化规律;根据实际H型垂直轴风力机结构参数,利用CFD方法建立了二维H型垂直轴风力机流体计算模型,基于叶片气动力及功率系数修正模型对数值模拟的结果进行修正,并结合风洞试验数据验证本文数值模拟的准确性与可行性;(2)本文采用变参数的方法研究了H型垂直轴风力机参数配置对其空气动力学性能的影响,得到了不同叶片安装角、风轮半径、叶片数和叶片弦长对H型垂直轴风力机产能输出的影响规律,为垂直轴风力机的结构参数设计提供了理论依据;(3)考虑到叶片为风力机关键的部件之一,本文提出类函数与B样条函数相结合的方法来表征翼型气动外形,结合粒子群优化算法并耦合翼型气动性能预测RFOIL软件对H型垂直轴风力机翼型气动外形进行优化设计。在优化过程中,针对H型垂直轴风力机叶片攻角变化范围广的特点,提出不同攻角范围对优化翼型气动形状及风能利用率的影响,以各攻角下的切向力系数和作为叶片翼型优化的目标函数。并将优化翼型与初始翼型进行对比,从风能利用率、单个叶片的力矩系数、涡量分布、速度分布及压力分布云图来讨论了优化翼型的优越性。研究表明,新型H型垂直轴风力机的空气动力学性能得到了有效改善,最大风能利用率提高了8.45%。此研究对H型垂直轴风力机结构参数设计及叶片翼型气动外形优化设计提供参考依据,具有一定的工程应用价值。