华北、西北地区风资源丰富且沙尘天气频发,风电发展迅速且潜力巨大。对于华北、西北地区特有气候环境下风力机技术的研究具有重要意义。本文于兰州大学多功能环境风洞,构建了均匀来流下风沙环境流场、清洁环境大气边界层以及风沙环境大气边界层,以自主设计的风力机为研究对象,研究了:均匀流场中,不同来流风速下不同叶尖速比运行时风力机的尾流场特性;不同环境大气边界层中风力机的尾流场与功率特性,揭示了风沙环境下风力机与沙尘相互作用的关系。通过对均匀来流下风力机对沙尘输运影响的研究中发现:风力机后沙尘主要进行轴向运动;在单孔下沙条件下,输沙率分布特性符合高斯分布,沙尘粒径范围越小、粒径越小,风速越大,越趋向于高斯分布。风速越大,风力机尾流恢复越慢;风力机尾流具有对称性;在近尾流处,叶尖速比越大,流场越混乱,速度亏损越明显。在一定风速内,风力机对沙尘的阻碍作用随着风速的增大逐渐明显;风速越大,涡对沙尘的聚集现象越明显,扬沙越明显。叶尖涡对沙尘聚集效应的影响范围比中心涡大。叶尖速比越大,沙尘提前沉积,沙尘被携带的距离越长,涡对沙尘的聚集效应越明显,风力机后的上半部分尾流所携带的沙尘越少,风力机对沙尘的阻碍作用越明显。风力机运行会阻碍沙尘输运,大粒径沙尘沉积的更快,小粒径沙尘更易跟随尾流输运;粒径越大,尾流场对沙尘的阻碍作用越明显;沙尘的聚集现象与风力机实体不相关,而与流场相关。通过对不同环境大气边界层中风力机的尾流场与功率特性的研究发现:大气边界层中,大尺度的涡结构以一种总体稳定的状态随风速向后发展,速度呈现分层式分布,且分层均匀;气流在大气边界层中整体向上发展。加入沙尘后,大气边界层内流场更加稳定,轴向风速自底面起沿垂向增大减缓;沙尘周围会产生比较小的漩涡。风力机尾流轴向速度具有对称性,其对称性取决于大气边界层特性;风力机尾流6.5D处基本恢复至来流的80%,随着尾流发展影响区域逐渐增大,恢复速度逐渐加快。风沙环境下,风力机尾流场与清洁环境下总体分布相同,速度亏损更少,速度波动更小,恢复速度更慢,尾流膨胀范围更小,对称性更强。清洁环境下的风力机尾流在大气边界层中表现出蜿蜒、摆动的特性,风力机近尾流摆动、蜿蜒幅度较小,随着尾流发展,摆动、蜿蜒幅度逐渐剧烈;风力机尾流的摆动、蜿蜒具有周期性,主要以平行于地面的方向左右摆动,蜿蜒发展,在垂直于地面方向的摆动幅度小;风沙环境下,风力机流场的蜿蜒、摆动幅度更小。清洁环境下风力机的尾流场中主要是叶尖涡,由于塔筒影响,风力机尾流下层涡量分布散乱,且涡量绝对值相对较小;沙尘的存在会打散风力机的叶尖涡,使叶尖涡提前耗散;气流绕过沙尘而产生的涡,增加了流场中漩涡分布的复杂性。风力机在同样能量输入的风沙环境下,功率输出更低,风能利用系数更高,风力机的功率输出对大气边界层的流场特性有非常契合频率的响应;在风沙环境下,风力机功率输出在高频处的表现与清洁环境下不同。