风力机叶片的气动性能是研制高水平风力机的关键因素,对其气动特性的准确预测和对相关流动的有效控制是提升研制能力的两个重要方面。在气动性能预测方面,翼型作为风力机叶片的基本组成要件,其气动模型的预测精度(尤其在非定常工况下)直接影响到风力机整体气动性能的预测结果。由于工程应用中预测模型对计算时间方面的需求,建立准确和高效的风力机翼型气动模型可以为风力机叶片气动特性的预测提供理论基础。叶尖涡是水平轴风力机的主要三维流动结构,对风力机的输出功率、噪声水平和疲劳载荷等具有重要影响,工程应用中希望能获得有效控制叶尖涡的方法。本文首先通过数值计算获得了风力机动态失速工况的流场,采用模态分解的方法进一步分析绕翼非定常流场。其次基于数值计算结果,利用降阶模型建立了风力机翼型非定常气动模型,为提高风力机的设计和优化能力提供理论支持。最后针对流动控制问题,通过PIV技术测量探究了叶尖导流管结构对风力机叶尖流动的控制效果,并利用实验和数值数据分析阐述其流动机理,为该方法在风力机中的运用提供了理论与数据支持。本文具体内容如下:1.采用数值计算方法,基于带转捩修正的k-o SST湍流模型以及滑移网格技术,对作周期振荡的S809翼型的非定常流场进行了数值模拟,通过与实验数据的对比验证了数值模拟结果的准确性,并对深度动态失速工况下的非定常流场特性进行了详细分析。2.基于数值计算结果,采用POD和DMD两种模态分解方法对深度动态失速工况时的流场展开了进一步研究。基于模态分解得到的速度矢量和翼型表面压力系数,对该流场的非定常特性进行了分析,直观地给出了该工况的非定常流场特性。3.以数值计算得到的翼型气动特性数据为样本,分别建立三种不同的降阶模型,对不同类型非定常工况的翼型气动特性参数进行了预测。通过对比分析,揭示了不同降阶模型的适用范围以及计算准确性。4.对深度失速工况,对比了 SBRF模型和传统半经验工程模型的预测结果,通过与实验和计算数据的对比,分析了 SBRF模型对翼型非定常工况的气动预测精度和对极值的捕捉能力。5.采用PIV方法对有无叶尖导流管结构的模型风力机叶顶区域流场进行了实验测量,捕捉到了叶尖涡的流动,并对其特性进行分析。在对比有无叶尖导流管叶片风轮的实验结果后,得到了该流动控制方法对风力机叶尖涡区域流场尤其是叶尖涡的影响效果,验证了叶尖导流管结构改善风力机近场尾迹流动的能力。6.参考Vatistas修正涡核模型,整理实验数据,对原型风轮叶尖涡诱导旋动速度在涡核外的下降速度进行研究,得到了涡核模型中对应叶尖涡内部湍流度的系数结果。对比相应带叶尖导流管叶片风轮的结果,显示了该被动流动控制方法对这一描述流场特征参数的影响效果。采用数值计算对原型风轮和带叶尖导流管风轮进行了对比研究,进一步描述了叶尖导流管结构在叶尖涡生成初始阶段的影响效果,从而揭示了该流动控制方法改善叶尖涡特性的流动机理。