风能具有清洁可再生的特点,近年来得到了快速发展。目前世界装机容量已超过837GW,且在未来几十年全球将会持续增大。风力机长期处于长周期、高波动强度的湍流环境中,大气湍流相干结构和风力机之间的相互作用随着风电场建设规模和装机容量的增加变得愈加复杂,对风力机尾流演化、发电效率、机组载荷、使用寿命和风电并网等都产生了不利影响,但目前人们对于大气边界层湍流相干结构对风力机气动性能和尾流的影响的理解和认识尚不全面,主要是由于大气边界层湍流运动的随机性和数值模拟精度不高等,难以进行定量的描述,需要进一步深入研究和探索。本文围绕大气边界层内部不同尺度湍流相干结构对风力机气动性能及尾流特性的影响展开研究,首先采用本征正交方法（Proper Orthogonal Decomposition,POD）对湍流相干结构的提取方法及其精度影响的关键因素进行了研究,并基于能量角度建立了风力机风能利用系数和尾流长度预测模型,最终得到了不同尺度湍流相干结构对风力机功率波动、气动载荷和尾流演化的影响规律。研究成果可为湍流相干结构的提取、尾流长度和速度分布预测、以及深入理解湍流相干结构对风力机发电效率、功率波动和尾流发展的影响等提供依据。本文的主要研究内容与成果如下:利用基于致动盘模型（Actuator Disk Model,ADM）的大涡模拟方法（Large Eddy Simulation,LES）计算了中性大气边界层风力机尾流场,并采用POD方法对POD快照采样频率的收敛特性、含能占比、计算成本及其对风力机流场重构精度的影响进行了研究。结果表明,快照采样频率对POD模态的收敛以及低阶模态的含能影响不大,而低阶模态代表大尺度湍流相干结构,高阶模态代表小尺度湍流相干结构,说明采样频率主要影响小尺度湍流相干结构;当采样频率为时0.015Tf,不同快照采样频率算例的前100阶模态累积能量相差不大,但当模态阶数大于25时,采样频率会影响各阶模态的能量占比以及较高POD模态数下（＞100阶）的累积能量,进而影响流场重构的精度;当采用相同数量的POD模态重构流场时,采样频率低的算例获得的流场精度明显高于采样频率高的算例,而当达到相同的流场重构精度时,最大采样频率算例的计算成本较最小算例可节省86%左右;对于一定数量的POD模态,采样频率越低,流场重构精确越高。研究还发现,风力机尾流中的大尺度湍流相干结构由顺流方向的反向旋转涡对组成,其垂向尺度可达大气边界层厚度量级。风能利用系数和尾流长度是风电场设计和运行控制的重要指标,准确估算该系数对风能转换系统的设计具有重要意义。本研究采用基于致动线模型（Actuator Line Model,ALM）的大涡模拟方法模拟了不同叶尖速比下风力机的尾流场,并采用POD方法从能量的角度提出了风能利用系数和尾流长度估算的新方法,建立了相应的预测模型。结果表明:利用新预测模型计算的风能利用系数Cp与常规方法的计算结果最大误差为1.7%,证明本研究所提出的风能利用系数Cp预测模型是可靠的;通过不同叶尖速比下风力机尾流速度剖面验证了本研究所提出的尾流长度模型具有良好精度,不同叶尖速比下风力机尾流长度均在28.5D左右;由风轮前后平面的能量差发现,风力机吸收的能量99.5%以上由第1阶POD模态提供,证明大尺度湍流相干结构是风力机主要的能量来源。基于POD方法和权函数提出了POD降阶模型（POD-WROM）,利用该模型计算了中性大气边界层不同尺度湍流相干结构对风力机气动性能和尾流特性的影响。结果表明湍流相干结构是决定大气边界层中湍流结构、风速脉动、气动性能和尾流特性的主要因素,当湍流相干结构中含能占比超过1%时,中性大气边界层风速波动幅度随着湍流相干结构含能占比的增大而增大;湍流相干结构含能超过35.4%时,风力机承受高频动载荷和功率,推力波幅最低为2.4%,最高为13.9%;功率波幅最低为4.5%,最高为28.6%;当相干结构含能占比增大到45.2%时,风力机平均发电量增加了26%。尾流研究中表明湍流相干结构含能超过14.2%时,尾流的展向宽度膨胀达到2.5D、偏移量最高达到2D,尾涡破碎耗散区开始位置距离风力机最近达到了7D,尾流垂向宽度扩展到了大气边界高度,湍流相干结构会加速尾流速度恢复以及大气边界层和风力机尾流间的动量交换。