风能作为一种清洁的可再生能源,具有广阔的应用前景。目前最成熟的一种风能利用方式是风力发电。水平轴风力机是目前风力发电的主流机型,但水平轴风力机起动风速高,运行时噪音大,因此,它不能有效的利用广大的低风速区、生活区和城市内的风能资源。虽然传统的阻力型垂直轴风力机结构简单、启动风速和运行噪音都比水平轴风力机低,比较适合在低风速区、生活区和城市内使用但是由于传统的阻力型垂直轴风力机风能利用率低,发电量少,使得其发展受到了限制。因此,为了提高传统的阻力型垂直轴风力机的风能利用率,本文通过对其改进,设计了一种聚风型垂直轴风力机,该风力机由风轮和聚风罩组成。本文首先详细介绍了利用流场数值模拟技术对垂直轴风力机的性能进行分析的方法和步骤。同时探讨了在轴向同截面风力机的设计中采用二维数值模拟代替三维数值模拟的可行性。接着本文分析了聚风型垂直轴风力机的结构和做功特点,借助于FLUENT软件和正交试验设计对聚风型垂直轴风力机进行了优化设计。优化分两步进行：第一步,基于CAD样条曲线造型技术对风轮进行了优化设计；第二步,为优化后所得的风轮设计聚风罩。文中设计了两种形式的聚风罩,并分别对其设计参数进行了优化,获得了相对较好的聚风罩形式及其设计参数。通过以上两步的优化,得到了相对最优的聚风型垂直轴风力机。计算结果表明在相同的风况条件下,最优设计参数下的聚风型垂直轴风力机的输出功率是传统的阻力型垂直轴风力机输出功率的157%。本文最后对聚风型垂直轴风力机的性能进行了研究。首先从流场的角度分析和解释了聚风型垂直轴风力机风能利用率得到提高的原因。接着对聚风型垂直轴风力机的自启动特性进行了研究,研究结果表明聚风型垂直轴风力机的自启动特性较传统的阻力型垂直轴风力机得到很大改善,起动风速更低。文中还研究了不同高径比的聚风型垂直轴风力机风能利用效率情况,从而确定了相对较好的高径比。我们还对聚风型垂直轴风力机进行了变工况研究,为后续发电机的匹配选择和风力机的运行控制策略提供指导。最后,为增大聚风型垂直轴风力机的工作风速范围提高发电量,提出了可转动导流叶片的设计预想,并分析了其可行性。