在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为一种有效的清洁能源受到了越来越大的重视。通过风力机吸收风能并用于发电是目前利用风能的最广泛方式。如何更加有效的利用风能,提升风力机的风能利用率,是研究者们关注的重点问题。本文设计了一种安装于风轮上下两端的具有曲线外形的聚风装置用以改善直线翼垂直轴风力机气动性能。该聚风装置能够提高入口来流速度、改善叶片沿翼展方向的压力分布、减少叶尖处流动损失,从而改善直线翼垂直轴风力机的气动性能。本研究以选取最优结构参数的曲线形聚风装置为目的,分别利用数值模拟和风洞试验手段探索曲线型导流关键控制因素,主要有三部分研究内容:(1)利用B样条曲线生成方法,对聚风装置的曲线外形进行三次四阶B样条曲线构建,并将聚风装置主要结构参数与B样条曲线控制点位置相对应,通过二次正交旋转组合设计方法获得各个控制点在不同位置处组合而成的B样条曲线线形。以平均启动力矩为目标,通过三维数值模拟计算具有不同参数组合曲线外形聚风装置的聚风型风力机平均启动力矩,找出较优的聚风装置曲线结构参数。以聚风装置上下表面半径比,入口角和出口角为试验因素,得到了较优的曲线参数组合:上下圆面半径比为1.9,入口角为16°,出口角为4°。此时风力机启动力矩系数最大值可提高14.8%。(2)对比聚风型风力机和非聚风型风力机整体流场特征以及不同叶素截面上流场的压力和速度分布,从受力变化及流线走向角度分析聚风型风力机在不同叶素截面上的优化效果,揭示聚风装置对风力机气动特性的改善机理。研究发现聚风型风力机流场在不同平面得到的改善程度不同,其对叶片的叶尖平面处流场改善更为明显,增大了叶片叶尖处所受的气动合力。叶片所受径向切力减小,均衡了叶片沿翼展方向的受力,提升了风力机整体所受启动力矩。(3)制作在计算中得到的具有较优曲线线形的聚风装置模型,并加装在风轮模型上进行风洞试验,分别对比不同风速下聚风型风力机和非聚风型风力机的启动特性、转速特性和输出特性,验证聚风装置对直线翼垂直轴风力机气动性能改善的有效性。研究表明聚风装置能够提升直线翼垂直轴风力机的输出功率特性,在低风速时主要影响高尖速比下风力机的输出功率,扩大获得高输出功率的尖速比范围;在高风速时主要影响低尖速比下风力机的输出功率,使风力机在转速较低时也能输出较高有效功率。聚风装置能够降低其所需的最低自启动风速,使其在风速较低的场合仍能输出有效功率。风速越高,聚风型风力机到达稳定转速的时间越短,稳定转速越高。然而聚风装置的改善效果会随风速的增大而减弱。本研究将B样条曲线构建应用到直线翼垂直轴风力机导流装置结构参数化研究上,同时本研究所采用的参数组合设计手段,为设计具有类似多结构参数的垂直轴风力机提供了一种有效的方法。通过数值模拟和风洞试验等手段,对聚风型风力机及非聚风型风力机进行了启动特性、转速特性、输出特性的对比,为开发结构更紧凑,经济效益更佳的聚风装置提供了理论基础。该曲线外形聚风装置对于我国中小型直线翼垂直轴风力机在低风速地区的推广与应用具有一定的参考价值。