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风电机组尾流效应会造成尾流区风速降低、湍流度增加,引起下游机组发电量损失、疲劳载荷增加,对风电场的经济效益带来负面影响。风电机组尾流场具有非定常、大分离、涡结构复杂的特点,工程中常用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)、雷诺平均模拟(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方法进行风电机组尾流场的数值模拟研究,但两类方法不能同时满足尾流模拟对计算资源和计算精度的要求。分离涡方法(Detached Eddy Simulation,DES)结合了 LES、RANS 方法的优势,理论上适用于解决风电机组尾流的复杂大分离流动问题。综合考虑计算资源与精度,以NRELPhase Ⅵ机组缩比模型为研究对象,采用DES方法开展了单台、两台机组的三维计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟,研究了单台机组自由发展尾流区及两台串列机组尾流干涉区流场的分布规律,主要工作如下:(1)建立了基于DES方法的风电机组结构化网格数值建模方法。针对NREL Phase Ⅵ机组缩比模型,采用三维多块子域结构化网格划分方法,建立基于DES、RANS方法的风电机组结构化网格数值模型。两类方法模拟的近尾流场风速与风洞实验的相对误差均不超过5%,验证了数值模型的可靠性。DES、RANS方法描述的尾流场平均风速较为接近,但RANS方法抹杀了尾流场的湍流脉动特性。与RANS方法相比,DES方法充分反映了尾流区风速波动的周期性,细致刻画了尾涡震荡、分解等演变过程。基于DES方法的风电机组结构化网格数值建模方法,在保证时均流场模拟精度的基础上,描述了尾流场的波动性、涡结构等流动细节,为风电机组尾流效应研究提供了方法支持。(2)采用DES方法开展单台机组尾流流场的数值模拟,揭示了入流风速对自由发展尾流场的影响规律。风速作为反映流场信息的主要参数,会在很大程度上影响风电机组尾流场的流动特性,是风电场微观选址考虑的重要因素。采用基于DES方法的风电机组结构化网格数值模型,开展了不同入流风速下单台机组自由发展尾流场的数值模拟,研究了尾流自由区风速、涡结构等特性,分析了入流风速对尾流自由区流场的影响规律。结果表明:风轮从流场中提取动能,使得风轮后风速急剧衰减,而入流风速越低,尾流区风速衰减越严重,且以靠近叶根处为甚;尾涡破碎的位置与入流风速呈正比,即入流风速越大,涡开始震荡的位置距风轮越远;根据涡结构的演变过程可将尾流区分为近尾流区、尾流分离区及远尾流区,在近尾流区内,尾流区宽度保持常值,且与入流风速无关,从分离区开始,尾流区宽度呈线性扩张,扩展范围与入流风速呈反比。(3)采用DES方法开展两台串列机组尾流流场的数值模拟,获得了串列机组尾流区的风速分布规律。两台机组串列排布的流场作为最简单的尾流干涉形式,是多尾流干涉效应研究的基础。采用基于DES方法的单台机组结构化网格建模方法,建立了基于DES方法的两台串列机组结构化网格数值模型,开展了串列机组尾流场的数值模拟,分析了上、下游机组尾流区风速的变化特征。结果表明:在风轮后3D内,上游机组尾流区与单台机组尾流区风速极为接近,且尾流区宽度为常量;与风轮间距超过3D后,由于下游机组风轮前低速区的影响,上游机组尾流区风速低于对应位置处单台机组尾流自由区风速,尾流区宽度相对增加;上、下游机组尾流区的叠加,致使下游机组风轮后风速衰减加剧,尾流区风速均低于单台机组及上游机组尾流区对应位置处风速;但尾流干涉加速了下游机组尾流场与周围流场的动量交换,使得干涉区风速在下游风轮后12D后基本恢复至入流参考风速的80%;串列上下游机组尾流区范围变化较为连续,但干涉区流场范围变化极为复杂,并非单台机组自由发展尾流区宽度的简单叠加。