风电机组复杂的运行环境导致风电叶片表面存在明显的流动分离现象,流动分离的产生导致气动力失速现象的频繁发生,一方面,严重影响风电叶片气动力性能,降低风电机组发电效率,另一方面,由于叶片表面的分离涡周期性地脱落,引起叶片运行过程中振动的发生,严重影响风电机组整体运行的稳定性。风力机翼型作为叶片气动力性能的核心元素,亟需采用有效的流动分离控制方法,抑制风力机翼型表面的流动分离,改善风力机翼型气动力性能。凹凸前缘方法作为一种新型的被动控制方法,能够有效地抑制流动分离,改善失速特性,提高翼型整体气动力性能。本文将凹凸前缘方法应用于风力机翼型,通过气动力与流场实验,以及数值计算相结合的方法,分析凹凸前缘方法对风力机翼型静态与动态气动力性能的改善作用,并对仿鲸鱼鳍风力机翼型的平均特性与波动特性进行分析,并构建仿生翼型流场特征的模化方法,对流动分离控制机理展开研究。首先,通过气动力实验发现凹凸前缘结构能够有效地提高风力机翼型静态气动力性能,并改善气动力失速特性。在此基础上,开展了凹凸前缘翼型表面粗糙度的敏感性分析,表面粗糙度对风力机翼型气动力性能产生较大影响,受到表面粗糙度影响的风力机翼型静态气动力性能严重恶化,翼型产生较低的升力和较高的阻力与转矩,并且气动力的波动值显著增加;而受到表面粗糙度影响时,凹凸前缘方法降低了失速区风力机翼型气动力的波动特性,同时,改善了风力机翼型气动力平均特性。其次,通过前缘转捩带技术的开发,建立不同雷诺数条件下气动力变化规律的相似性,并通过气动力与流场实验分析凹凸前缘方法在自然来流条件下,对静态风力机翼型表面流动分离的控制效果,以及对气动力性能的改善作用。通过研究发现,在失速区,凹凸前缘翼型的失速特性更加平缓;在高攻角的后失速区域,凹凸前缘结构有效的提升了的风力机翼型的平均气动力性能;风力机翼型气动力性能受到翼型吸力面流动分离的影响,而凹凸前缘方法在后失速区,有效地抑制了流动分离的发生,相应的,凹凸前缘翼型在后失速区保持较高的气动力性能;此外,凹凸前缘方法有效的降低了边界层中分离涡的脱落能量,有助于降低边界层速度场的湍流强度,进而降低风力机翼型气动力的波动。在此基础上,通过气动力实验进一步分析凹凸前缘方法在自然来流条件下,对风力机翼型动态气动力平均特性与波动特性的改善作用。研究表明,凹凸前缘结构有效地抑制了动态气动力迟滞效应,降低了动态失速强度,并且抑制了二次动态失速涡的形成,有效地降低了最大升力系数、升力系数变化量以及负气动力阻尼值;与此同时,凹凸前缘方法能够降低风力机翼型的动态气动力波动量,改善动态气动力变化的稳定性;并且,随着动态运动频率的增加,凹凸前缘对动态气动力平均特性与波动特性的改善作用逐渐增强。最后,为了将凹凸前缘方法的流动控制机理融入到风电叶片的设计当中,需要建立凹凸前缘的结构参数与流场特征之间的量化关系,本课题提出一种凹凸前缘对流场特征影响规律的理论模化模型。通过模化分析发现,模化仿生翼型与实体仿生翼型的气动力与流场计算结果保持较好的一致性,并且,在低攻角区域,由于波谷位置处较大程度的流动分离,导致凹凸前缘翼型的气动力性能恶化,相反,在高攻角的后失速区,凹凸前缘有效地抑制了流动分离,提升了翼型在高分离区域的气动力性能。凹凸前缘结构对流场产生额外的作用力,使得吸力面与压力面产生压力梯度,压力梯度导致在翼型吸力面上产生明显的流向涡,当凹凸前缘结构两侧压力梯度较高时,产生强度较高的流向涡使得翼型吸力面产生较低的压力区域,进而翼型表面流动处于附着状态,有效抑制流动分离的产生。综上所述,本文将凹凸前缘方法应用于风力机翼型,通过气动力与流场实验深入研究了凹凸前缘对不同工况下风力机翼型气动力性能的改善作用;并结合数值计算方法提出凹凸前缘对流场特征影响规律的理论模型,进一步揭示流动分离控制机理,为凹凸前缘流动控制方法在风力机叶片上的优化设计与实际的工程应用提供了重要基础。