随着全球能源危机和环境问题的日趋严重,风力发电等清洁能源利用方式成为世界各国的研究热点,其中如何更好的利用风力机是研究者们关注的焦点。为了改善直线翼垂直轴风力机的静态启动特性,本研究提出了一种安装于风力机上下两端的棱台型聚风罩,用以聚集更多的来流,提高风力机所处流道内的气流速度,改善风力机周围流场,从而改善风力机的启动特性。以适用于小型直线翼垂直轴风力机的三棱台型聚风罩为研究对象,以优化棱台型聚风罩最佳结构参数、提升垂直轴风力机静态启动特性为目标,采用数值模拟方法进行了研究,主要研究内容和获得的结论如下:(1)提出棱台型聚风罩设计,并选取聚风罩的三个主要结构参数进行结构优化,利用二次正交旋转试验设计方法,以风力机平均启动力矩为目标,通过三维数值模拟计算具有不同结构参数聚风罩的垂直轴风力机平均启动力矩,并基于方差分析和回归方程获得了棱台型聚风罩主要结构的最佳参数组合:聚风罩高度H=120 mm,半径比δ=1.3,与风轮距离△L=34 mm,将优化所得棱台型聚风罩与另两种圆台型聚风罩进行结构外型对比,结果表明棱台型聚风罩实现了对聚风罩外型的精简,主要表现为棱台外型的易加工性以及聚风罩体积的大幅度减小。(2)运用数值模拟的方法分析具有最佳结构参数聚风罩的垂直轴风力机启动特性的改善效果,结果表明,聚风型风力机的启动力矩系数在绝大部分方位角下均大于非聚风型风力机,聚风罩对改善风力机启动特性发挥了作用。其中,在一个旋转周期内,聚风型风力机平均启动力矩系数比非聚风型风力机提升了12.12%,最大力矩提升数值为0.1331 N·m,最大力矩提升百分比高达31.46%。(3)为研究棱台型聚风罩对垂直轴风力机静态启动特性改善的作用机理,选取几个典型方位角下的聚风型风力机和非聚风型风力机周围的流场情况进行对比。对于流场分析,宏观方面,聚风罩有助于削弱叶片尾流湍流对叶片流场的影响,使聚风型风力机周围流场较非聚风型风力机平稳一些;微观方面,聚风罩的聚风加速作用可以使风力机所处流道内的气流速度整体提高,且最上游叶片两侧压力区域范围扩大、压差差值增大,由此产生的启动力矩也增大,聚风型风力机的启动特性得到改善。风动能分析显示聚风罩改善风力机启动特性的原理主要表现为聚风罩整体上增大了风力机流道内的气流动能,同时减小上游叶片尾流气流动能减小区对下游叶片的影响,从而使叶片可以捕获更多的气流动能用于风力机的启动。本研究主要通过数值模拟的方法验证了棱台型聚风罩对改善垂直轴风力机静态启动特性的有效性,同时采用的试验设计方法可以为今后设计多结构参数的聚风罩提供理论基础和方法参考。此外,棱台型聚风罩在改善风力机启动特性效果的同时大大精简了现有聚风罩的外型,降低了制造加工难度,也为开发结构更简单、经济效益更好的聚风型风力机提供了新的思路,对于我国中小型垂直轴风力机的推广应用具有一定的参考价值。