目前国内陆上风力机占比较大,主要分布在西北、华北等地,但这两个地区也是风沙影响较为严重的区域,这意味着风力机运行过程中总会受到沙尘颗粒的影响,降低风轮的气动性能,导致发电量显著减少。因此,对风沙环境中风力机气动性能及运行特性的研究分析很有必要。本文采用SST k-ω湍流模型和离散相模型(DPM)对S809翼型进行气固两相数值模拟,分析了不同颗粒属性对翼型气动性能的影响;其次采用修正后的叶素动量(BEM)理论对运行在不同工况下的风力机进行气动设计,分析了风沙环境对风力机整机气动性能的影响;最后针对风力机直叶片,研究了颗粒直径和颗粒质量浓度对三维翼型边界层的影响规律。主要研究内容如下:(1)加入不同粒径的沙尘颗粒对翼型进行气固两相流数值模拟,发现在粒径范围为5μm~30μm时,随着颗粒直径的增大,翼型的升力系数减小,阻力系数增大,而在粒径范围为30μm~100μm时,随着颗粒直径的增大,翼型的升力系数增大,阻力系数减小,其中粒径约为30μm的颗粒使翼型的升力系数取最小值,阻力系数取最大值。(2)加入不同质量浓度的沙尘颗粒对翼型进行气固两相流数值模拟,发现当攻角大于7°时,质量浓度对翼型气动性能的影响较明显,随着质量浓度的增大,翼型升力系数显著增大,阻力系数显著减小。同时,当质量浓度从1.48kg/m~3增加到5.6kg/m~3时,同一攻角下翼型的升力系数增大约0.59%,阻力系数减小约1.56%;当质量浓度从1.48kg/m~3增加到9.8kg/m~3时,同一攻角下翼型的升力系数增大约1.19%,阻力系数减小约3.18%。(3)加入不同当量密度的沙尘颗粒对翼型进行气固两相流数值模拟,发现当攻角大于7°时,当量密度对翼型气动性能的影响较明显,随着当量密度的增加,翼型升力系数显著增大,阻力系数显著减小。同时,当量密度从1.25kg/m~3增加到1.3kg/m~3时,在相同攻角下翼型的升力系数增大约0.49%,阻力系数减小约0.99%;当量密度从1.3kg/m~3增加到1.4kg/m~3时,在相同攻角下翼型的升力系数增大约1.38%,阻力系数减小约2.88%。(4)基于修正后的叶素动量理论(BEM),对运行在清洁空气和风沙环境中的风力机进行气动设计,首先确定翼型升阻力系数,并编程计算叶片各截面弦长、安装角,其次根据风力机功率输出控制方式,得到风力机功率曲线、推力曲线和转矩曲线,最后探讨风沙环境对风力机性能曲线的影响。沙尘颗粒对风力发电机的影响主要表现在以下几个方面:风沙机组的风轮半径小于清洁机组的风轮半径,风沙机组翼型各截面的弦长略大于清洁机组的弦长。在高风速下,由于相同的功率控制方法,风沙环境中运行的两机组的输出功率与其运行在清洁空气中的输出功率保持一致;在低风速下,风沙机组在风沙环境中运行时的功率大于清洁机组的功率,而风沙机组在风沙环境中运行时的推力小于清洁机组的推力。功率输出越大,风力发电机的效益就越大。推力越小,风力发电机承受的疲劳载荷就越小。(5)相较于清洁空气,不同直径沙尘颗粒的加入总会使翼型边界层厚度减小。同一弦向位置,随着颗粒直径的增大,翼型边界层厚度呈现先减小后增大的趋势,而在颗粒直径为50μm时,边界层厚度达到最小。相较于清洁空气,不同质量浓度沙尘颗粒的加入,翼型的边界层厚度都会随之减小。颗粒质量浓度越大,翼型的边界层厚度越小。在颗粒质量浓度的不同变化范围内,边界层厚度的最大减小量出现的位置也有所不同。