风能作为一种可再生的清洁能源,受到世界各国的极大青睐。但是由于自然风的复杂多变,使得风力机运行在复杂的随机风速场中,时常处于偏航状态。偏航导致风力机风能利用率下降,尾迹流场发生改变。因此,分析偏航状态下风力机的尾迹流场变化具有十分重要的意义。本文采用理论分析结合数值模拟的方法,探究偏航风力机的尾流特性为风力机设计以及风电场风力机布置提供参考。以额定功率300W、风轮直径1.4m的S翼型三叶片水平轴风力机为研究对象,基于ANSYS CFX工作平台对偏航状态下水平轴风力机的尾迹流场进行数值模拟。定性定量的分析不同风速、不同尖速比、不同偏航状态下风力机输出功率变化情况以及风轮后尾迹速度的演化规律、尾迹偏转情况以及湍流衰减和恢复情况。本文的主要研究内容包括以下三个方面:首先,对不同偏航状态风力机的叶片表面压力和输出功率进行监测和分析,发现在同一径向截面随着偏航角的增大叶片表面压强差减小;在同一偏航角下沿叶展方向越靠近叶尖,叶片压力面和吸力面的压强差越大,揭示了叶尖做功能力最大;在额定工况下输出功率随偏航角的增大而减小,造成风力机输出功率有明显损失的偏航角临界值为15°;在同一偏航角下风力机的输出功率随尖速比的增大而增大,在同一尖速比下造成风力机输出功率有明显损失的偏航角临界值均为15°。其次,在风轮后布点,分析不同偏航角风力机尾迹演化过程以及尾迹的偏转过程。通过研究发现:偏航导致风力机尾迹整体和尾迹中心均向X轴负方向一侧偏斜,并且偏航角越大尾迹偏斜的程度越大;偏航角越大尾迹速度亏损量越小,尾迹速度恢复越快,偏航缩短了风力机的尾迹;在同一轴向位置,尾迹不对称,偏航角越大尾迹的卷曲程度越大,尾迹越紊乱;尾迹上侧尾迹速度遵循偏航角越大速度亏损越小的规律,尾迹下侧尾迹速度亏损较严重,且各径向位置尾迹速度的差别较大;尾迹偏转角随轴向距离的增大先增大后逐渐减小到0°;在同一轴向位置尾迹上侧尾迹偏转角相对较小,尾迹下侧尾迹偏转角相对较大,且最大值接近于偏航角。最后,探究不同工况风轮前后湍流强度及尾迹涡的变化情况,通过研究发现:风力机尾迹处的湍流强度随偏航角的增大恢复加快,风轮后0.4D之前湍流强度低于入口值;风轮前来流湍流强度的衰减造成了风轮后0.4D之前湍流强度低于入口值,并且在风轮前6个偏航工况湍流强度衰减情况一致;同一偏航工况下,SST k-ω模型计算得到的湍流强度衰减程度最小,湍流强度随风速增大先增大后减小;同一轴向位置,尾迹上侧沿叶展方向越靠近叶尖湍流强度越小并且偏航角增大湍流强度减小,尾迹下侧相较于上侧湍流强度较大;风力机处于偏航状态时尾迹涡不对称,尾迹上下侧涡量分布不一致,偏航角越大涡量值越大尾迹涡整体形状越不规则。