浓缩风能型风电机组是一种利用浓缩风能装置将自然风加速、整流和均匀化后,驱动风轮进行旋转发电的风力发电系统;与传统的水平轴风电机组相比,它具有切入风速低、风轮直径小、风能利用率高、噪声小、稳定性高、安全性高等优点,然而浓缩风能型风电机组的核心部件——浓缩风能装置的加工制造成本高、安装维护困难等缺点制约着这种特殊型风电机组的推广和应用。为了提高浓缩风能装置的浓缩效率,降低浓缩风能型风电机组的度电成本,提高运行安全性和稳定性,以浓缩风能装置为研究对象,运用三维计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,重点研究了浓缩风能装置的结构与几何参数对内部流场特性的影响规律,并分别对不安装浓缩风能装置、安装浓缩风能装置原模型和优化模型的风轮性能进行了仿真研究,主要工作如下:(1)浓缩风能装置轴向断面形状对流场特性的影响规律研究在具有风切变的平行来流条件下,开展了浓缩风能装置轴向断面形状对流场特性的影响规律研究;在原模型基础上,分别设计了 8种不同轴向断面形状的浓缩风能装置模型(包括5种径向非对称结构);流场特性仿真结果表明:收缩管母线为圆弧形的径向对称浓缩风能装置内部流场流速较高,径向非对称结构可提高浓缩风能装置对来流风的整流和均匀化作用,降低装置内部流场的流速梯度;综合考虑流场平均流速、流速梯度和实际制造安装情况,收缩管母线为圆弧形、扩散管母线为直线形的径向对称模型在8种模型中的性能较佳,与原模型相比,平均流速可提高25.88%。(2)不同增压板外形对浓缩风能装置流场特性的影响规律研究增压板外形与浓缩风能装置的流场特性关系密切,以轴向断面形状设计得到的优化结构为例,分别设计了增压板形状为正方形、正六边形、正八边形、正十二边形、正十八边形和圆形的浓缩风能装置模型,在风切变来流条件下,对比研究了 6种增压板外形对浓缩风能装置流场特性的影响。结果表明:综合考虑流场流速和流速梯度,在6种模型中带有圆形增压板的浓缩风能装置流场性能较佳,与原模型相比,内部流场最大流速和沿X轴方向最大流速分别提高了 18.39%和29.42%,风轮旋转平面上平均流速可提高28.87%,流速梯度可降低35.45%。(3)扩散管凸缘几何外形优化设计在扩散管出口端面加设环形凸缘能够提高浓缩风能装置对来流风的抽吸作用,提高浓缩风能装置内部流场流速。以带有圆形增压板的浓缩风能装置模型为研究对象,设计了带有扩散管凸缘的浓缩风能装置模型,研究分析了凸缘几何参数对浓缩风能装置内部流场特性的影响规律:浓缩风能装置内部流场的流速和风轮扫掠面上的可利用风能随着凸缘高度的增加而增大。综合分析可得,高度为中央圆筒直径的11/30、母线与扩散管出口端面逆时针方向夹角为3°的凸缘结构对应的浓缩风能装置模型流场性能较好;与不加凸缘的浓缩风能装置结构相比,流场最大流速可提高29.22%,风轮旋转平面上沿X轴方向平均流速可提高22.87%,流速梯度可降低36.80%。(4)浓缩风能装置对风轮性能的影响研究基于威尔森(Wilson)修正模型对浓缩风能型风电机组进行叶片气动外形设计,在平行均匀来流条件下,对比仿真分析不安装浓缩风能装置、安装浓缩风能装置原模型和优化模型的风轮性能,得到结论:在3～10m/s的来流条件下,安装浓缩风能装置优化模型的风轮功率是无浓缩风能装置风轮功率的1.6至2.5倍,额定风速下浓缩风能装置优化模型内的风轮功率比原模型提高了 54.24%。通过对浓缩风能装置内部流场的数值仿真研究,揭示了装置外形对流场特性的影响规律,提出了浓缩风能装置结构优化方法,为浓缩风能型风电机组的规模化、产业化应用奠定基础,具有理论与工程实际意义。