近年来,作为清洁能源的风能得到了快速发展。然而作为主要吸收风能的部件,风力机风轮在实际运行过程中会遇到各种各样的问题,风力发电机组的安全运行成为关注重点。至今,风力机的设计和性能分析都是基于协调风轮系统。然而,实际上由于材料、加工制造和安装误差、运行磨损以及污染或者由于阵风、来流不均匀和非轴向等因素,会产生结构失谐和气动失谐,本文主要开展了包括风切变和偏航在内的气动失谐方面的相关工作。目前,CFD以其独特的优势在翼型分析和设计、叶片和风力机气动性能分析方面获得了广泛应用。本文以两叶片NREL Phase VI和三叶片Tjaereborg水平轴风力机为研究对象,进行了轴向均匀来流条件下的气动特性模拟,并和实验值比较,分析了其中影响计算精度的因素。在此基础上,模拟了风切变和偏航风速条件下的风力机风轮气动失谐特性和偏航条件下风力机风轮流固耦合特性。轴向均匀来流风速条件下,以Tj(?)reborg风力机为研究对象,探讨定常数值模拟结果的处理方法和网格数目对数值结果的影响,结果显示：选用滑移网格法；并将叶片分段,对不同段给予不同网格数；选用合适的初始网格密度和合理的CFL数,可以减少网格数目,增大时间步长,缩短计算时间。以NREL Phase VI风力机为研究对象,研究有无机舱在轴向均匀来流风速条件下的气动特性,可以看出：有无机舱压力系数分布差别不大,均与实验值吻合较好；有无机舱切向力系数和法向力系数在叶片根部气动性能有了较大变化,而在叶片中上部变化不大；有无机舱对流动分离和旋涡结构影响集中在叶片根部范围,对主流区影响不大。风切变条件下,以NREL Phase VI风力机和Tjaereborg风力机为研究对象,分析了不同风速廓线指数和展向位置处风切变的影响规律及影响机理,并与实验值进行了对比分析。结果显示：切变风速使得风力机性能、载荷和流动参数波动振幅增大,波动波幅随风速廓线指数的增大和展向位置靠近叶尖而增加,能较准确地反映气动功率的降低,风切变条件下的气动功率、推力和扭矩等总体性能参数呈现周期性的变化；尾迹是不断膨胀的,随着尾迹距离的增大切变风速同时引起尾迹速度亏损的空间不对称趋于不明显。偏航风速条件下,以NREL Phase VI风力机和Tjaereborg风力机为研究对象,分析了不同偏航角条件下偏航的影响规律及机理。结果显示：偏航风速非定常运行过程中具有明显的周期性；随着偏航角的增大扭矩在减小,减少量和偏航角有关；方位角和偏航角不同时分离情况有很大差异；随叶片展向位置的升高,越靠近叶尖受到偏航影响越小；尾迹的偏斜和不对称随偏航角的增大更加敏感。偏航风速下风力机风轮流固耦合的模拟,以NREL Phase VI风力机为研究对象,比较7m/s轴向均匀来流和7m/s偏航角30°条件下双向流固耦合的特性,得出：轴向均匀来流条件下流固耦合的性能参数快速周期性震荡至稳定值；叶片在挥舞、摆振和展向三个方向的变形均呈现出一阶振动形态,从叶根到叶尖逐渐增大,其中,挥舞变形最为显著；应力主要集中在中叶展附近,沿弦向应力主要集中在最大厚度位置附近。偏航风速下流固耦合的影响：风轮载荷和叶片变形呈周期性震荡,但耦合作用对风轮整体载荷及其振幅影响较小；耦合作用使内叶展扭角减小,载荷增加；外叶展扭角增大,载荷减小,从而减小了轴向载荷极值；风轮旋转平面内,叶片载荷极值方位角与风速极值方位角不对应。综上所述,本文所研究的二种风力机风轮模型,从轴向均匀风速条件下的定常流动到切变和偏航风速条件下气动失谐的非定常流动,再到更为复杂的流固耦合综合作用,层层递进,逐渐接近真实物理模型。研究结果将为采用CFD数值方法进行翼型和叶片气动载荷分析与设计提供参考,为认识风切变、偏航等复杂非定常气动失谐问题和流固耦合特性的影响提供依据,为风力机主动控制分离,保证风力机的安全可靠性提供技术支持。