随着我国风能产业的快速发展,风力机技术也有了长足的进步。目前风电发电成本依然较高,并且风力机离城市越来越近。因此为了提高风电的竞争力,需要提高风力发电机的发电性能,亲民程度,以及降低运维成本,对应的需要对风力机的尾迹流场,气动噪声和动态结构特性进行研究。得益于数值计算技术应用性能和可靠性的发展,使用数值模拟和实验测量相结合的方式,可以更方便和精准的研究这些问题。在这样的背景下,采用计算模拟和实验测量的方法,对水平轴风力机实用性相关关键问题进行研究,为我国风电产业的自主技术创新提供基础,不仅具有重要的学术意义,而且具有较大的工业应用前景。本文主要应用大涡模拟,结合用户自定义函数,声学模型和力学模型来研究水平轴风力发电机的尾迹特性,噪声特性和振动特性。本文的目标是通过前期实验数据的辅助验证,建立一套高精度的水平轴风力发电机流场,声场和结构场全尺度数值模拟模型,用以分析流场,噪声和结构特性,实现对风力机性能的深入了解与优化,为风电场的设计运营,选址布局,故障检修等提供参考,并可以根据需求指导实际中操作参数的选取。首先,通过建立水平轴风力发电机尾迹流场和声场的三维高精度数值模拟模型,并且将风力机气动特性和气动噪声特性的计算结果和风洞测量数据进行对比研究,模拟结果与实验数据基本一致,表明所建立的计算模型和方法能够精确地再现风力机的近尾迹流场(包括速度,压力和涡流等)和噪声场。风力机近尾迹具有复杂的涡结构,大涡模拟可以很好地捕捉这些涡结构,包括叶尖涡,附着涡,塔架后面的涡以及中心涡结构。噪声的产生和传播与这些涡结构的产生和演变有着密切关系,并且它们都受到风力机周期性旋转的影响。叶尖区域是气动噪声的主要声源区域,随着向下游的移动叶片的声辐射强度迅速减小。为达到提高性能降低噪音的目的,应该更加关注叶片的尖端区域以及涡结构的优化。其次,通过对风力机的变工况特性的计算模拟研究和分析,结果表明所建立的数值模型对风力机运行参数的变工况模拟灵敏且准确,运行参数包括不同入流速度,尖速比和湍流强度。在不同入口流速工况中,尖速比不变时较高的入流风速对风力机性能几乎没有影响,但是会增大气动噪声。在不同尖速比工况下,结果表明尖速比的变化对风力机叶尖涡的形态有很大影响,并且对气动噪声源和噪声衰减都有影响。在额定尖速比下风力机功率系数最佳。在不同入口湍流强度工况下,结果表明湍流强度对风力机性能的影响较小,但是会影响涡的耗散和气动噪声。根据上述结果,绘制了功率-噪声权衡图。当有足够的运行工况参数可供参考时,可以在特定的运行条件下根据功率噪声权衡图合理的选择最佳运行参数。最后,通过风力机的流固耦合分析得出结论,风力机动态运行下叶片的应变是离心力和气动力单独作用下应变量的叠加,并且离心力是影响叶片最大应变的主要因素,气动力是影响最大应力的主要因素。离心力的作用偏稳定和集中,气动力的作用偏瞬态和分散。风力机风轮的应力应变都随着来流速度和尖速比的增加而增大,但是来流速度不变时攻角的改变对气动力作用的影响不大。对于叶片的振动频率,对称振型要略大于同阶下的反对称振型。叶片振动频率主要受离心力主导,气动力单独作用下的叶片振动频率稍有降低。叶片的振动频率随着来流速度和尖速比的增加而增大,振动频率跟风轮转速直接相关,转速越大振动频率越大。不同工况参数通过气动力载荷单独作用引起的风力机叶片振动频率较小且变化不明显,特别是来流速度不变时尖速比的变化对叶片振动频率的影响更为微小。