中国西北地区既是沙尘暴、沙漠化严重的地方,又是风资源丰富、风电场密集的地方。西北地区沙尘暴频发,风力机长期在风沙环境中运行,风沙会对风力机的运行产生影响,同时,风力机的运行也会影响沙尘输运。沙尘暴的危害包含但不限于农田的沙化,掩埋铁道,草场沙化,林地风蚀。这些现象均与沙粒的沉积有关。所以运行中的风力机对沙尘输运的影响是与荒漠化和大气环境非常相关的问题。本研究结合风洞试验和数值模拟,围绕风沙环境下风力机的尾流特性和风力机对沙尘分布和输运的影响开展研究,研究内容及结论如下。基于OpenFOAM提出了一种结合多相质点网格模型MP-PIC（Multiphase Particle-in-cell）和致动线模型的求解器,该求解器可以结合大涡模拟实现高精度计算,同时解决了风沙和风力机耦合模拟要消耗巨大资源的难题。基于该求解器分别针对风沙环境下风力机的尾流以及功率特性开展数值模拟。结果表明,风沙环境下风力机尾流长度更短,且尾流更容易紊乱,清洁环境下的叶尖涡和叶根涡更稳定耗散小于风沙环境下叶尖涡和叶根涡。对比风沙环境和清洁环境下风力机尾流速度的频谱结果,在含能区和惯性子区,风沙环境下湍流能量均大于清洁空气,在耗散区,风轮后大多数截面位置,风沙环境下湍流能量均大于清洁空气。对比风沙环境和清洁环境下风力机输出功率及其频谱,发现风沙环境下风力机功率输出更高,但功率波动较大。以甘肃省风力机工程技术研究中心设计的一台风力机模型为研究对象研究了风力机尾流中沙尘颗粒的分布特性。结果发现沙尘颗粒的分布特征不仅与沙尘颗粒粒径有关,还与输运距离有关:小粒径沙尘颗粒Stokes数小于1,扩散性强,空间分布比较均匀;中粒径沙尘颗粒Stokes数接近1,具有选择聚集性,集中分布在叶尖和叶根位置;大粒径沙尘颗粒Stokes数大于1,惯性占主导地位,受重力影响较大,容易沉降。在叶尖区域,沙尘颗粒有明显的聚集特征,说明叶尖涡具有明显的聚集效应;在叶根区域,沙尘颗粒数量明显少于叶尖区域,说明叶根涡的聚集能力弱于叶尖涡。利用风洞试验从宏观的角度研究了风力机尾流下的沙尘输运特性。研究发现风力机运行所产生的尾涡结构,改变输沙通量的空间分布,无风力机时,不同粒径输沙通量分布均呈现高斯分布,风力机运行时,输沙通量形成“w”型分布。沙尘颗粒在流过风轮后会受到风力机尾流的影响,叶尖高度位置沙尘输运强度增大,叶根高度位置沙尘输运强度减小,随着输运距离的增加叶尖高度和叶根高度沙尘输运强度均减小。风力机尾流对不同粒径沙尘颗粒输运能力不同,在叶尖高度位置,100～200 μm粒径下风力机的阻沙量绝对值最大,0～100 μm次之,200～300 μm最小,说明叶尖涡对100～200 μm聚集能力最强。