西北地区风资源丰富,但沙尘天气严重,风力发电机组长期在沙尘环境下运行,难免受其影响。沙尘天气对风力发电机的影响主要体现在沙尘颗粒会改变风力机翼型周围的绕流结构和沙尘颗粒对风力机叶片的冲蚀磨损,进而影响风力发电机组的年发电量和使用寿命。因此,对于长期暴露在沙尘天下运行的风力机,气固两相流和风力机翼型和叶片的冲蚀磨损行为研究显得尤为重要。本文首先对NREL S809风力机专用翼型在风沙条件下进行模拟,采用RANS-LES结合的延迟分离涡方法(Delay Detached Eddy Simulation,DDES)捕捉流场细节,以研究沙尘颗粒对风力机翼型周围绕流流场的影响和颗粒对风力机翼型气动性能的影响。然后,基于无量纲数颗粒Stokes数,研究其对风力机翼型的冲蚀磨损影响,以及翼型形貌对翼型冲蚀磨损特性的影响。最后,考虑旋转风轮,以某风力机模型为研究对象,研究颗粒Stokes数对风力机叶片冲蚀磨损的影响。主要研究结论如下:(1)颗粒直径(0-150μm)对翼型绕流流场和气动性能有一定的影响,但是根据来流攻角的不同,影响程度也不同。当颗粒直径较小时,随着颗粒直径的增大,翼型的升力系数降低,当颗粒直径较大时,随着颗粒直径的继续增大,翼型的升力系数逐渐恢复并接近洁净空气状态下的水平。当攻角较小时(6.1°),沙尘颗粒的直径对翼型绕流流场的影响较小,但是依然对翼型的升力系数仍有一定的影响;当攻角较大时(8.2°),沙尘颗粒对翼型绕流流场和翼型气动性能的影响较为明显,具体表现为翼型吸力面的分离点大幅度前移,出现很强的展向流动,尾涡增大,其中当颗粒直径为20μm时,影响最为明显,升力系数比洁净空气状态时减小了7.9%,且伴随着大量颗粒被卷吸进入尾涡,当颗粒直径大于20μm,随着颗粒直径的继续增大,翼型绕流流场和升力系数逐渐恢复并靠近洁净空气时的情况。当攻角达到失速攻角时(12.2°),颗粒对翼型绕流流场的影响没有较小攻角时明显,升力系数最大降低了4.1%。(2)对于风力机翼型,存在一个临界颗粒Stokes数范围,当颗粒Stokes数大于此临界范围,翼型压力面将出现冲蚀磨损现象;当颗粒Stokes数小于此临界范围,将不会出现冲蚀磨损。同时来流攻角和翼型形貌对临界颗粒Stokes数范围有一定的影响,当来流攻角增大,临界颗粒Stokes数将变大,但是来流攻角对临界颗粒Stokes数的影响也受翼型形貌的影响。总体来讲,翼型压力面靠近翼型前缘的部分曲率越大,翼型越容易发生冲蚀磨损,临界颗粒Stokes数也越小。同时,来流攻角的变化对临界颗粒Stokes数的影响也越小。当颗粒Stokes数和攻角一定时,即使颗粒直径、来流风速和颗粒密度都不同,各个工况下的冲蚀磨损情况都相同,且颗粒Stokes数越大,冲蚀磨损情况越严重。(3)对于旋转风轮,考虑到风轮转速和叶片的形状,取叶片各个截面上的当地颗粒Stokes数相比较,越靠近叶尖的截面,颗粒Stokes数越大。且当叶片刚开始发生冲蚀磨损时,总是从叶尖向叶根扩展。因此对于风力机叶片的冲蚀磨损,也存在一个临界颗粒Stokes数,即为从叶根到叶尖刚开始发生冲蚀磨损截面的当地颗粒Stokes数。结果表明此临界值都在0.018-0.022范围内。而当来流颗粒Stokes数相同时,叶片压力面上发生冲蚀磨损区域的平均磨损率一致,但冲蚀磨损区域却不一致,只有当来流颗粒Stokes数和来流风速均相同时,冲蚀磨损区域基本一致。说明来流颗粒Stokes数相同时,来流风速是影响叶片冲蚀磨损的主要因素。