风力机气动性能预测是风力机设计的关键之一。准确的气动预测将有益于叶片的气动设计、结构设计和系统评估等等。随着海上风电的发展,风力机大型化发展趋势日益明显,大型化使得风力机叶片更长、流动更复杂、气动性能预测的难度更大。然而现有的BEM、CFD等方法的预测精度不够；风场实验不可控因素多；风洞实验受风洞尺寸的限制,雷诺数无法达到实际风力机的量级,气动性能不能相似。因此,开展基于相似理论风力机气动性能预测的研究对快速、准确地进行大型风力机气动特性评估具有重要意义。本文以相似理论为基础,结合CFD计算和风洞实验来进行研究。首先,分别采用相似理论的量纲分析法和方程分析法推导出了一致的理论的风力机气动相似准则和相似函数关系式。理论的风力机气动相似准则是相对粗糙度准则(ε)、雷诺数准则(Rec)和尖速比准则(λ)；理论的风力机气动相似函数关系式为CP/CM/CT=/(ε, Rec,λ)。并提出了保证部分相似准则条件下的分步逼近相似研究方法。以NREL Phase VI风力机(D=10.058m)及其缩比模型(D=1.5m和1.0m)为研究对象,借助CFD软件,对相同雷诺数和尖速比下,理想光滑叶片表面的比例模型的气动性能和流动特性进行了研究。研究发现,比例模型的功率系数(Cp)和轴向推力系数(CT)在相同雷诺数(Rec(0.75R≤7.42×105)和尖速比(λ≤10.00)下不相同,即它们的气动性能不满足理论的气动相似律。并通过比较与分析各模型的流场信息,揭示了引起气动性能差异的主要原因。由于风力机的几何缩比无法保证表面粗糙度的相似,因此粗糙度的影响是研究中不容忽视的一个因素。对此,本文提出了与风力机叶片设计原则相符的设计粗糙度不敏感叶片的方法来解决缩比模型表面粗糙度难以几何相似的问题,期望在性能预测中能够回避相对粗糙度准则。以目前应用居多的变速变桨型水平轴风力机为研究对象,结合BEM理论与风力机实例,确定了叶片粗糙敏感性评价指标。再以叶片主要出功部位的21%相对厚度翼型为例,提出了根据升、阻力系数对输出功率的作用大小来确定粗糙敏感性评价指标权重系数的方法,确定了其粗糙敏感性评判基准。另外,为了探讨粗糙不敏感叶片的设计方法,应用正交设计和方差分析法,研究了21%相对厚度翼型几何参数对粗糙敏感性的影响；并对已有的CAS薄翼型进行了粗糙敏感性实验和评价；且在原有CAS-W1-210翼型的基础上设计和优化出了一个粗糙敏感性更低、气动性能更优的CAS-W2-210翼型。在相似性研究中,缩比风力机通常运行的工况是在低雷诺数范围,因此对于翼型低雷诺数的气动特性有必要进行了解。为此,本文开展了S809翼型的低雷诺数(Re<5×105)气动性能风洞实验与分析,获得了系列低雷诺数下气动性能的数据,数据显示了其气动特性的复杂性,并填补了此翼型低雷诺数气动性能数据的空白。同时,为了进一步研究缩比风力机叶片受叶尖涡的影响,也开展了翼尖涡对翼型低雷诺数气动性能影响的风洞实验,得出了在不同雷诺数下,翼尖涡对翼型压差升、阻力系数影响的规律。另外,为研究受叶尖涡影响的叶片区段的粗糙敏感性,还开展了低雷诺数下翼尖涡对翼段粗糙表面压差升、阻力系数影响的风洞实验。综合上述实验得出了在不同雷诺数下,翼尖涡对粗糙和光滑翼段表面翼型的压差升、阻力系数的不同影响规律,以及翼尖涡涡心位置和涡量随攻角和表面粗糙状况的变化趋势。最后,为了弄清比例模型气动性能定量的相似关系,本文对缩比模型气动性能的相关修正进行了探讨。以2D风洞实验数据为基础,3D CFD计算结果为基准进行了比较与分析,结果显示在低雷诺数的附着流动状态,Prandtl叶尖损失修正效果不佳,而现有的四种三维效应修正方法都存在较大误差,其中Du和Selig的修正误差相对较小,但它仍然存在着许多不足,需要进一步改进才能适用于此。另外,本文采用修正入流风速的方法,探讨了缩比模型流动相似的修正,结果表明即使是将缩比模型流量修正到与原型流量理论相似的状态,它们的流管、流线和流场速度分布仍然不相似,这是由于流场流动损失的不同而引起的,因此,流动相似修正除应考虑模型的流量相似外,还应考虑流场的流动损失。