风力机在风电场中运行时,由于风场中的风剪切和湍流等复杂特性,风力机的气动载荷和尾流特性受到影响,不同来流状态下,风力机的气动载荷和尾流特性各不相同。研究复杂来流条件下风力机的尾流特性及载荷特性,对风力发电场的微观选址、风力机功率预测和载荷分析等方面具有重要的意义。因此,本文通过使用自回归线性过滤法作为大涡模拟湍流入口条件,模拟生成中国B类湍流风场,进而针对一台33kW风力机进行大涡数值模拟,研究风力机在剪切来流和B类湍流风场中尾流演化规律和气动特性。主要研究内容如下:(1)基于序列合成法中的自回归线性过滤法(AR法),在满足谱特性和速度特性基础上,得到满足目标湍流风场特性的随机数据序列,作为大涡模拟的湍流入口条件,将基于AR法得到的模拟结果与采用预前模拟法得到的结果进行对比分析,结果表明,与预前模拟法相比,采用AR法开展湍流风场大涡模拟研究能够有效提高模拟精度和计算效率,流场的湍流耗散较小,具有较高的流场特征保持性,而且更容易控制生成目标湍流风场,可作为风力机大涡模拟研究的湍流入口条件。(2)风剪切条件下风力机尾流研究。风轮下游1-11D范围0°方位角叶尖高度位置,尾流速度以风轮旋转周期随时间变化;尾流区平均轴向速度剖面在1-7D范围内呈“W”形分布,随着尾流继续向后发展,“W”形状逐渐变化为“S”分布,轴向速度剖面以轮毂中心线高度处呈不对称性分布,存在下半部尾流恢复速度大于上半部的现象;尾流轴向速度在7D位置亏损最大,最大亏损率为24.8%;在1D位置尾流湍动能最大,随着远离风轮,湍动能逐渐减小;1-3D范围内,尾流区域较规则,随着向后发展,尾流区域发生扩散;在风轮近尾流区,出现了小尺度高频湍流结构,随着远离风轮,小尺度高频湍流结构逐渐向大尺度低频湍流结构演化。(3)B类湍流风场下风力机尾流研究。风轮下游1-5D范围内,尾流轴向速度剖面呈“W”形分布,随着尾流向后发展,“W”形逐渐消失;随着尾流距离风轮越远,轮毂中心线高度轴向速度先减小后增大,在3D位置处,速度亏损最大,最大亏损率为14.5%;在1D位置,尾流区与主流区界限较明显,从3D开始,尾流区域与主流区逐渐混合;在风轮的作用下,湍动能在风轮近尾涡区逐渐增大,在3D以后,湍动能逐渐减小;对于轴向脉动速度谱特性,与风轮前1D位置相比,风轮下游脉动速度能量明显提高,下游1D位置惯性子区范围变窄,进入耗散区位置提前,在3D和5D位置,进入耗散区位置后移;在风轮近尾涡区,出现了小尺度高频湍流结构,随着向后发展,小尺度高频湍流结构逐渐消失,风轮尾涡逐渐耗散,大尺度湍流结构为主要湍流结构。(4)相较于风剪切来流条件,B类湍流风场下风力机尾流速度恢复更快,最大亏损率也较小。(5)在B类湍流风场条件下,风力机气动载荷功率谱在叶片通过频率的整数倍位置出现峰值,且峰值随着频率的增大而减小;相较于剪切来流,B类湍流风场下风轮转矩和推力功率谱的能量明显增强,且转矩分布范围增大;对于叶片周围压力和流线分布,两种工况下在靠近叶片前缘吸力面的压力差异较大,表明叶片前缘吸力面对来流湍流特性的响应更加敏感;相较于剪切来流,B类湍流风场下的叶片边界层分离点位置更加靠近叶片后缘,出现了边界层分离位置后移现象,分离涡尺度也相对减小,表明湍流导致叶片边界层对逆压梯度的抵抗能力提高,导致边界层分离点出现延迟现象。(6)对于剪切来流与B类湍流风场下的叶片载荷,相较于剪切来流下,B类湍流风场下叶片载荷波动范围明显增大,通过频谱分析可知,湍流来流下叶片载荷能量更高。