能源短缺、环境污染等问题正制约着人类社会的发展和进步。和传统能源相比,风能作为一种在地球上分布广泛、储量丰富的可再生能源,其有效开发和利用一方面可以减轻对常规化石能源的依赖程度,减少化石燃料使用造成的环境污染,另一方面风力发电和传统火电、核电等发电方式相比不需要用水可节约大量宝贵的水资源。目前陆上优质风能资源的开发和利用已基本饱和,风能资源的开发正从陆地走向海洋。海上风能资源跟陆上风能资源相比由于缺少阻挡,其风能的品质要高于陆地,为了尽可能多地吸收风能,水平轴风力机正向大型化巨型化方向发展。随着叶片长度的增加,也对叶片不同部位的翼型提出了新的要求,且叶片长度增大也会导致叶片刚度减小,柔度增加。所以根据大型风力机叶片不同部位翼型的运行要求,对这些翼型的气动性能进行深入研究,并设计出高性能的风力机专用系列翼型和风力机叶片,该研究具有一定的理论意义和重要的应用意义。在科技部中欧政府间国际合作项目《基于MEXICO (Model EXperiments In COntrolled conditions)试验数据的风力机气动特性及预测的研究》(2010DFA6046)和丹麦战略研究项目《中国海上风力机开发》(12-130590)的资助下,本文提出了“大型风力机翼型气动性能优化研究”的课题。论文根据大型风力机叶片的新特点,从大型风力机叶片不同部位翼型设计要求出发,对不同部位翼型的气动性能展开深入研究,研究旋转、可压缩等因素对翼型气动性能的影响并将其应用到翼型设计中,以翼型在一定范围内的升阻比最大或二维功率系数最大为目标设计得到用于叶片不同部位的新翼型系列。采用新设计翼型,考虑叶尖损失等因素以叶片二维功率系数最大为目标建立新的叶片设计模型,设计得到性能较优的新风力机叶片。此外根据水平轴风力机气弹理论,建立水平轴风力机气弹计算模型,研究了水平轴风力机叶片的气弹性能。在大型水平轴风力机翼型及气弹研究方面获得了创新型成果。论文的主要研究工作和成果有：(1)分析了钝尾缘翼型的气动和结构特点,采用指数混合函数方法对DU系列厚翼型尾缘进行加厚修型,研究了指数混合函数尾缘加厚修型方法对翼型表面连续性的影响。采用定常和非定常CFD方法、面元法对尾缘加厚的DU系列翼型在自由转捩和固定转捩工况下的气动性能进行计算,综合分析不同最大相对厚度的翼型尾缘加厚后的升力和阻力系数随攻角变化特性,探究了不同最大相对厚度的钝尾缘翼型的升力变化特性以及钝尾缘翼型在定常和非定常状态下升阻力系数特性与尾缘加厚厚度之间的关系,为钝尾缘翼型的设计奠定了基础。从边界层理论出发,详细分析了钝尾缘翼型表面压力系数分布,揭示了其升力特性变化的机理。(2)建立MEXICO试验风力机三维模型,对其周围流场和叶片所受载荷进行数值计算,将叶片表面计算压力系数和周围计算流速跟试验数据进行对比分析验证了计算结果的可靠性。将计算得到的MEXICO叶片中部的RIS(?)-A1-21翼型和外侧的NACA64-418翼型在旋转状态下的升阻力特性跟三维试验值、二维试验值、基于二维试验数据的三维修正值进行对比分析,总结了旋转状态下叶片不同位置处翼型性能的变化规律。为进一步深入研究钝尾缘翼型的气动性能,采用叶素动量方法将DU 97-W-300和DU 97-W-300-05翼型分别设计成攻角沿径向相同,弦长沿径向不变的叶片,研究叶片在旋转状态下翼型的气动性能,总结得到旋转状态下钝尾缘翼型在不同径向位置处的气动特性。(3)为适应风力机叶尖速越来越大的运行情况,对空气可压缩性对风力机专用翼型性能的影响展开研究。采用二维风洞试验方法对风力机专用DTU-LN218翼型在雷诺数为1.5×106、3×106、4×106、5×106和6×106时的气动性能进行测试,主要取雷诺数为6×106和4×106时对应来流马赫数分别为0.3和0.2的试验数据进行分析。对直接测得的试验数据进行考虑可压缩影响的洞壁效应修正,将其修正到自由流中,研究洞壁效应对风洞试验测试结果的影响。详细验证分析了CFD程序FLUENT、面元法程序XFOIL和Q3UIC对DTU-LN218和DU 91-W2-250翼型在流动可压和不可压时气动性能的计算精度。对比分析了Prandtl-Glauer、Karman-Tsien和Laitone三种可压缩修正方法的正向和反向修正精度。此外还通过改变来流风速改变马赫数,同时改变翼型弦长保持翼型弦长不变,以马赫数为单一变化量研究马赫数变化对翼型气动性能的影响规律。为设计在流动可压状态下工作的风力机翼型以及预测流动可压状态下风力机翼型的气动性能提供了参考。(4)分析了风力机叶片不同展向位置翼型设计要求,基于研究得到的钝尾缘翼型升力特性随尾缘厚度变化规律,流动可压缩性对翼型性能的影响等成果提出了在一定攻角范围内以翼型光滑和粗糙状态下升阻比或功率系数最大为目标,以多段贝塞尔曲线描述翼型形状,分段贝塞尔曲线描述翼型形状可方便实现翼型局部形状的改变,且可以方便调节控制翼型尾缘厚度,方便对厚翼型进行钝尾缘设计,综合考虑翼型气动、结构、几何兼容性以及叶片制造方便等因素的风力机专用翼型设计优化模型,并设计出了最大相对厚度为18%、21%、24%、27%和30%的WTA系列翼型。对WTA系列翼型的气动性能进行了详细分析,并将新设计翼型的气动性能与现有最大相对厚度相同的传统风力机专用翼型进行对比,验证了WTA系列翼型的优良气动性能。探讨了大型风力机叶片不同展向位置翼型的设计方法,丰富了风力机专用翼型设计方法及思路,设计得到的WTA系列风力机专用翼型可用于大型风力机叶片设计。(5)以某5 MW风力机为参考,采用新设计的WTA系列翼型替换参考风力机叶片中相对厚度相同的翼型,保持参考叶片其他几何特征不变,替换翼型后的风力机的输出功率明显提高,验证了新设计翼型在应用过程中的优越性能。以叶素单元二维功率系数最大为目标,引入Shen叶尖修正模型,建立了新的叶片气动外形设计模型,采用Snel三维修正模型修正后的新设计翼型的升阻力数据设计得到一新的5MW风力机叶轮,通过将新设计叶轮和某5 MW参考风力机叶轮的功率性能进行对比分析,验证了该设计模型的可靠性,奠定了工程应用的基础。建立水平轴风力机气弹计算模型,以非定常叶素动量方法计算风力机所受载荷,将偏航模型引入气动模型对诱导速度进行修正,根据虚功原理建立描述风力机的结构运动微分方程的质量、刚度矩阵,采用龙格-库塔-尼斯特伦积分方法对结构运动微分方程进行求解,开发了水平轴风力机气弹计算程序,对某5 MW参考风力机和用WTA系列翼型替换参考风力机翼型后的风力机在不同偏航角工况下的气弹性能进行预测,详细分析了叶片特征模态、不同偏航角工况下的叶片变形特性,总结了不同偏航角工况下叶片变形规律,为指导风力机叶片气动和结构设计以及疲劳寿命预测奠定了基础。