风力机空气动力学研究的方法主要有风洞实验、涡流理论和CFD方法，但是对于大型风力机，其模型的风洞实验受到尺寸效应和相似性的影响较大，同时，风洞实验不能很好地模拟风力机在实际运行中复杂多变的来流条件，这必然引起风力机气动性能的外场真实参数与风洞实验结果之间较大的差异；涡流理论显现出了精度较高、耗时较短的优势，但由于模型的简化，难以准确计算实际工况下叶片表面的压力分布及尾流发展的细观特性；CFD方法受到湍流模式、计算机计算能力和耗时长等方面因素的制约较大。本文针对上述存在的问题，通过开展风力机的外场实验，并结合涡流理论方法和CFD数值模拟方法开展了风力机的气动特性和流场特性研究。　　提出了一种风力机空气动力学外场实验方法，并搭建了外场实验平台。开展了风力机叶片表面压力测量实验，并针对一组实验结果进行了分析，研究发现，对于平均压力，从叶尖到叶根，翼型表面的压差先增大后逐渐减小；对于瞬时压力，未出现分离流动或尾缘附近出现较小范围分离流动的叶片部分，叶片表面的压力比较稳定；而出现较强分离流动的叶片部分，叶片吸力面压力呈现出周期性的变化，振荡周期反映了分离涡的脱落周期，且在分离涡脱落前后很短的时间内，压力急剧升高后急剧减小，出现一个压力峰值。开展了风力机的尾流速度测量实验，并针对一组实验结果进行了分析，研究发现，该实验工况下，尾流测量断面上各点的轴向速度的衰减比较大，衰减比在31.55％至69.79%之间，铅垂方向速度变化相对较小，水平方向速度变化范围相对较大，风向的变化对风力机尾流区的水平速度分量影响较大。　　通过对风轮进行三维数值模拟，对叶片七个测压断面翼型进行二维数值模拟，并将七个断面翼型的表面压力分布曲线的二维、三维计算结果与外场实验结果进行对比分析，同时，结合七个翼型的升力系数（三维、二维结果）和流线图，研究了三维旋转效应对叶片气动性能的影响，研究表明，七个翼型表面压力的三维模拟结果比二维结果更接近于实验结果；三维旋转效应引起了失速延迟，推迟了翼型表面流动分离的发生，并减小了流动分离区域，导致叶片各翼型升力系数的三维计算结果高于二维计算值，尤其对于叶根部分的7＃翼型，升力系数的三维结果比二维结果增大了82%；三维旋转效应对叶片气动性能及流动特性的影响主要表现在发生大攻角分离流动的叶片部分，当叶片表面为附着流动或后缘附近小范围分离流动时，三维旋转效应的影响并不明显。　　以DU95-W-180风力机专用翼型为研究对象，研究了粗糙度对风力机翼型气动性能的影响，研究发现，粗糙度对风力机翼型气动性能的影响很大，随着粗糙度增大，升力系数可以减小到光滑翼型时的40%以下，同时，阻力系数可增大近10倍；通过适当增加翼型压力面后缘附近的粗糙度可提高翼型的升力系数，但并不能有效地提高风力机风轮的出力。对外场实验风力机风轮进行了数值模拟，研究了风轮转矩随叶片表面粗糙度的变化规律，研究发现，风轮转矩随叶片表面粗糙度的增加先增大然后减小，在粗糙度为0.05 mm时达到最大值；当叶片表面粗糙度在0 mm到0.1mm之间时，风轮转矩变化很小，增大量均在光滑表面时的2.085%以内，风轮转矩对叶片表面粗糙度不敏感；当叶片表面粗糙度大于0.1 mm时，粗糙度对风轮转矩的影响较大，粗糙度为1 mm时，风轮转矩减小了光滑叶片时的近30%。由此可见，只要叶片表面洁净，则粗糙度对外场气动实验的影响很小，开展风轮的数值模拟时，可按光滑叶片表面来处理。　　采用一种非线性尾流结构的势流解法，开展了实验机组风轮的尾流气动特性研究。研究发现，对于风力机叶片处诱导速度，速度环量沿叶片展向呈现出非线性的分布规律。非线性尾流模型计算得到的轴向诱导速度的绝对值普遍大于线性尾流模型的结果，轴向诱导速度的绝对值沿叶片展向先逐渐增大，在叶尖附近突然减小。周向诱导速度相对较小，随风轮的叶尖速比呈现出不同的分布规律，叶尖部分先急剧增大后又急剧减小；叶根和叶尖附近的径向诱导速度沿叶片展向变化的速度梯度较大。对于尾流区诱导速度，各垂直于轴线的断面上的诱导速度随方位角和相对半径变化；周向诱导速度相对较小，并沿径向逐渐减小；不同断面的径向诱导速度沿径向呈现出不同的分布规律，各断面同一半径上的径向诱导速度随方位角（0o-180o范围内）的增大逐渐减小；轴向诱导速度随断面位置沿轴线变化呈现出不同的分布规律，距风轮平面2R距离之前各断面上，轴向诱导速度的绝对值沿径向先增大、后减小，2R距离之后各断面上，轴向诱导速度的绝对值沿径向逐渐减小，各断面同一半径上的轴向诱导速度绝对值的最大值出现在尾流区正对叶片的位置。　　通过求解 RANS方程，对实验机组风轮在尾流实验和额定两种工况下开展了数值模拟，通过叶片表面及其断面翼型的流线图，以及通过风轮轴的截面和垂直于风轮轴截面的压力分布云图、速度分布云图、速度矢量图、湍流动能分布云图以及湍流耗散率分布云图，研究了风轮的流场特性，分析了尾涡的产生和耗散的过程。研究发现，风轮轮毂对其附近的尾流场存在一个加速作用，尤其对靠近风轮平面的风轮轴线附近的流场影响较大；各截面的湍流动能和湍流耗散率呈现出相同的分布规律，即，湍流动能大的位置湍流耗散率大，湍流动能小的位置湍流耗散率小，说明湍流动能大的区域聚集了较多的小尺度涡；风轮尾流区各流动参数在同一轴截面上呈现出较强的对称性，但在不同的轴截面上呈现出非对称性，越靠近风轮平面，非对称性越强，这种非对称性随着尾流向后发展逐渐消失。