地球表面大气的水平运动称为风,风是地球转动与太阳辐射温差等因素综合作用的结果;地球蕴藏的风能资源极为丰富,目前风能已成为产业化开发利用程度最高的新型能源,其能源战略地位日益提升。竖轴风力机是一种具备发展潜力、可与水平轴风力机相媲美的风力发电设备,尤其是直翼竖轴风力机凭借无需对风、叶片制造简单且支撑刚度好、变速与发电装置简单且重心低等优势受到学者的青睐。但是直翼竖轴风力机自启动能力差、风能利用率偏低的问题限制了该类风力机的大规模发展;同时直翼竖轴风力机流场流动复杂,作用在叶片上的气动力呈现周期性非稳态变化,导致该类风力机的基础力学问题尚未得到很好的解决。因此探索直翼竖轴风力机的流场特性、空气动力学作用机理以及风轮的结构动力学响应,对于该类风力机的气动与结构设计具有重要的理论和实际意义。本论文在对比直翼竖轴风力机和水平轴风力机特点的基础上,确定了直翼竖轴风力机的研究问题所在;分析国内外针对竖轴风力机气动性能改善问题的研究,确立了以高径比、弦径比、叶片数和支撑梁气动结构设计为研究基础的风轮构型优化目标,并提出了以变桨控制来改善自启动特性和风能利用率的研究方案。本文通过CFD仿真和实验相结合的研究方法分析直翼竖轴风力机的流场与力学特性,提出了直翼竖轴风力机的信息采集和状态监测方案。基于CFD方法研究风轮参数对直翼竖轴风力机性能指标的影响。以直翼竖轴风力机的平均风能利用率为研究对象,建立考虑局部流场变化的风力机力学模型,确定了风力机性能指标评定参数;建立直翼竖轴风力机的二维CFD模型,分析CFD建模及其参数设置对计算精度的影响,与实验结果对比以验证CFD计算的准确性;基于CFD仿真分析确定实验用翼型参数,对风力机的高径比、弦径比、叶片数和运行尖速比等因素展开研究,研究风轮参数与风力机气动性能的关系,完成风轮的气动构型研究。针对风轮支撑梁的结构布局和气动外形设计展开研究,分析支撑梁参数对风力机气动性能和结构动力学特性的影响。以叶片的横向变形为研究对象,建立叶片在不同支撑方式下的力学模型,分析不同支撑对叶片变形的影响,并通过流固耦合技术研究支撑梁布局与风轮结构动力学特性的关系。通过分析支撑梁气动外形的升阻力特性,确定比较理想的气动外形,开展支撑梁气动外形CFD和实验验证研究,并探究支撑梁的减阻方案。通过研究单支撑方式下风力机的动力刚化和动不平衡问题,建立了直翼竖轴风力机考虑气动力和转速等因素的变形方程,为风力机的变形分析和校正奠定理论基础,并提出了一种柔索预紧法来改善风力机的变形情况。在完成直翼竖轴风力机基本构型研究的基础上,针对叶片攻角、桨距角对叶片气动参数和风力机气动性能的影响展开研究,为变桨控制研究奠定基础,同时提出风力机的状态监测系统。基于电阻应力片实现风力机气动载荷和结构动力学响应的动态监测,通过静态载荷实验实现状态监测系统的标定,为实验研究做好前期基础;通过CFD分析研究叶片正弦俯仰运动下的气动载荷变化规律,并结合叶片流场探究动态失速的作用机理,提出叶片载荷与俯仰力矩的实验测量方法,并通过开展CFD和实验研究分析叶片桨距角对风力机运行特性的影响。基于直翼竖轴风力机的力学模型提出变桨规律,并进行变桨规律的CFD仿真与实验验证。针对统一变桨规律,开展CFD研究以分析该规律对NACA0018翼型的适应性,并进行发电实验;通过对比分析独立变桨与定桨运行模式下风力机的气动性能、力学参数和流场特性,对独立变桨规律进行进一步的优化设计,对比分析不同拟合方法对风力机发电性能的影响,最终确定变桨规律数学模型,通过实验验证该变桨规律的可行性,并分析风力机在变桨控制下的结构动力学响应。