近年来,随着人们环保意识的提高,可再生能源越来越受到大众的注视。风能是一种清洁的可再生能源,风能的主要利用形式是风力发电,该形式也是现今最具商业前景和条件的发电方式。H型垂直轴风力机无需调向对风,没有复杂的偏航装置;传动系统和齿轮箱置于地面,易于安装和维护;H型垂直轴风力机的主轴与发电机不直接连接,叶轮具有良好的防雷保护;制造便宜等诸多优点,使得H型垂直轴风力机更适合于城市风力发电。然而,由于H型风力机在旋转过程中,叶片攻角在不断改变。因此,H型风力机常用的NACA对称翼型已不能满足其对气动性能的要求。此外,由于H型风力机适于安装在靠近人群的城市区域,因此预测其噪声等级也是至关重要的。目前,针对于H型风力机的气动性能及流场特性、优化设计出适用于H型垂直风力机运行工况的翼型以及H型垂直轴风力机气动噪声预测等相关问题的研究较少,阻碍了其进一步发展、应用。因此,为了本文针对以上几个问题做了以下研究:1.针对遗传算法在求解过程中容易发生“早熟”现象,不利于保持物种的多样性的缺点,对算法进行了改进。将父、子代合并,选取优良的个体重新构成新的种群;为了解决超级个体的大量繁育,引入拥挤度因子。结果表明,改进后的算法提升了原有算法的收敛性、多样性。2.基于垂直轴风力机工作原理及改进的算法,应用CST参数化方法,结合多流管模型对叶片翼型参数进行优化。以H型风力机常用翼型NACA0015为优化基准翼型,针对风力机叶片攻角不断变化的运行工况,以最大切向力系数为优化目标,翼型上、下翼面的几何控制参数为变量,利用改进后的遗传算法得到优化翼型。基于Navier-Stokes方程的数值模拟方法,对原始翼型与优化翼型进行气动性能计算与受力稳定性分析。计算结果表明,与基准翼型相比,优化翼型具有更高的升力系数、切向力系数以及更好的受力稳定性。3.针对H型风力机的变尖速比运行工况,推导出叶片攻角随叶片方位角在不同风况下的变化规律。搭建射流风洞与风力机实验台。基于URANS方法,对基准翼型和优化翼型叶轮进行三维非定常流场模拟。将计算结果与实验值进行了对比,确定了计算方法的准确性。4.针对风力机复杂的流场特性,选取低、中、高三个典型叶尖速比,通过对比分析不同尖速比下一个周期内两个叶轮的瞬时功率系数及涡量云图,揭示了优化翼型对风轮三维流场在不同尖速比工况下的不同改善作用:低尖速比时,优化翼型可减小叶片表面动态失速涡的尺度;中、高尖速比时能够削弱叶梢涡非定常运动,减小叶片尾流的扩散范围以及缩短尾流的长度。结果表明,与H型垂直轴风力机常用翼型相比,采用优化翼型的叶轮具有更高的效率以及更宽广的高效率区,其中最优尖速比下的风能利用系数提高了17.6%。5.针对风力机叶片尾流及叶梢涡问题,借鉴航空器和水平轴风力机消除涡流的方法,总结出叶尖小翼对风轮功率特性的影响机理。以一台三叶片风力机为实验对象,在叶端安装两种不同类型的叶尖小翼,基于URANS方法及滑移网格技术,对比分析不同尖速比下安装叶尖小翼和不安装叶尖小翼的风力机风轮力矩系数、叶片吸力面压力分布及叶片表面压差、叶顶截面涡量云图的变化规律。结果表明,两种叶尖小翼均能削弱叶片叶梢涡,提高叶片表面压力差及叶轮功率系数,对垂直轴风力机起到功率放大的作用。针对H型风力机风能利用系数随风况变化规律及其运行的城市变风速工况的特点,分析了风轮旋转速度与输出功率的关系,提出了一种适用的最优尖速比控制系统。6.针对H型垂直轴风力机安装在靠近人群的城市区域,提出了URANS与FW-H声压模型相结合的CFD方法对其气动噪声进行预测。选用修正后的翼型自噪声模型（TBL-i TNO）、改进的湍流噪声模型（inflow-buck）以及URANS与FW-H声压模型相结合的CFD方法,对同一风力机模型气动噪声进行预测,并与实验数据比对,验证了URANS与FW-H声压模型相结合的CFD方法对风轮气动噪声预测的准确性。以一台三叶片风力机为实验对象,采用基于非定常流动的FW-H声压模型对其噪声进行预测,利用FFT（Fast Fourier Transform）获得声学接收点处的噪声频谱,分析不同尖速比、风速、叶片数以及接收点位置对风力机气动噪声的影响规律。最后,提出对风轮叶片进行修型的方法降低气动噪声。研究表明,与传统叶尖结构的风轮相比,采用S型叶尖及齿形槽叶尖结构均对垂直轴风力机风轮有降噪效果,平均声级降低超过20%,且齿形结构的降噪效果要优于S型结构。在尖速比λ=2时,齿形槽叶尖结构的平均降噪为3d B,S型叶尖结构的平均降噪为2.5d B,降幅分别为5.3%和4.4%。