水平轴风力机单机容量大型化和运行环境的多样化发展突显了叶片流动的多尺度影响因素,使得翼型流动条件(如雷诺数、湍流度、表面粗糙度、攻角等)更具多样性和不确定性,构成了风电叶片的流动控制机制及风力机专用翼型设计理论研究的重要挑战。基于多兆瓦级风力机翼型的复杂性能需求,本文围绕风力机翼型综合性能的优化问题展开了如下研究：首先,根据风力机叶片的实际运行特征,提出翼型变工况稳定性的概念；将翼型的气动特征划分为设计点性能、非设计点性能、失速特征和性能稳定性并对之进一步参数化,最终形成了以翼型的气动性能参数项、几何特征参数项和权重系数项为参数体系,以加权计算为方法的综合性能评估方法体系。基于此,按照风洞测量结果,对CAS-W1翼型气动性能进行了综合评估。评估结果表明,与DU翼型系列相比,CAS-W1薄翼型系列具有良好的设计点和非设计点性能。但三种较厚的翼型必须进一步优化或再设计。然后,开展了风力机翼型综合性能优化设计方法的研究。根据风力机的复杂流动特征和各部位气动需求的差异,研究了多兆瓦级风力机翼型的设计需求。提出了“高效、低载、宽工作范围和变工况性能稳定”的气动设计思想,并结合提高结构属性和降低气动噪声的需求,建立了风力机翼型多学科优化问题的数学模型。目标函数与约束包含翼型气动性能、几何结构属性和气动噪声特性参数,以翼型几何参数为设计变量。通过集成几何设计模块、多学科性能分析模块、综合评估模块以及优化方案设置模块构建了风力机翼型的综合性能优化平台。该平台适用于不同厚度风力机翼型的自动化、智能化设计。另一方面,针对流动复杂或者高度优化的翼型气动性能再优化问题,提出了反问题方法与数值优化相结合的混合设计方法,以实现对风力机翼型气动性能更加细微的改进。进而,基于某一5兆瓦水平轴风力机的设计参数和运行特征,开展了多兆瓦级风力机翼型的优化设计。针对叶片内侧运行攻角大、易分离的复杂流动特点,以提高结构属性和大攻角范围内翼型的气动性能为目标,采用混合设计方法优化得到四种相对厚度为45%以上的大厚度钝尾缘翼型。基于RFOIL预测并进行综合评估表明新翼型在大攻角范围内具有较高的升力系数水平且随着Re变化稳定,总体性能得到了优化。在设计过程中发现,吸力面压力峰值及其弦向位置和吸力面峰值后压力系数恢复的梯度显著地影响翼型的气动性能。进一步,基于构建的翼型优化设计平台分别实现了叶片中部翼型气动性能的综合优化以及叶片外侧主力翼型的多学科性能优化。前者以35%相对厚度的翼型设计为目标,以替代叶片中部较薄的翼型(DU-300)为出发点,得到了最大升阻比和设计升力系数较高,气动性能随表面粗糙以及Re变化具有良好稳定性的翼型。后者以21%相对厚度的翼型设计为目标,得到了具有“高效、低载、宽工作范围和变工况性能稳定”的气动性能特征,结构属性良好且气动噪声符合要求,综合性能优异的叶片外侧主力翼型。采用响应面模型方法,基于优化过程中的数据分析建立了翼型的主要性能参数随着几何设计变量的近似响应模型,有助于提高优化算法的寻优速度和优化平台的运行效率。。最后,为完善厚翼型性能随Re稳定性的优化策略,研究了Re对CAS-W1系列翼型的气动性能的影响规律并分析其流动机理。风洞测量结果表明Re对15%～25%相对厚度的CAS-W1翼型性能的最大升力系数随着Re的增加而增加但变化幅度较小。而对更厚的CAS系列翼型而言,光滑表面条件下的最大升力系数和最大升阻比随着Re的增加而下降。其原因或许在于薄翼型的最大升力系数往往在湍流边界层分离下取得,Re的增加可以稳定边界层流动,延迟分离：而较厚的风力机翼型的最大升力系数可能在层流边界层直接分离下取得,Re的增加会诱发边界层的分离,严重降低气动性能。也就是说翼型的气动系数在湍流边界层下随Re增加变化较小,可约束翼型上表面转捩点位置进一步改进Re稳定性的优化策略。