大型风电场和大气边界层发生强烈的交互作用,显著改变了大气边界层的统计特征。在中尺度模拟中,为定量揭示风电场对大气边界层的影响,通常将风电场等效为大气底部的粗糙度。风电场边界层模型为研究风电场群尾流效应,风电场的局地气候效应提供了重要手段,是当前风电领域研究的热点和前沿。但目前风电场模型的普适性、精度均有待提高。针对这些问题,本文采用大涡模拟方法对不同类型的充分发展风电场进行了数值模拟,揭示了风电场对大气边界层的影响规律,提出了新的风电场模型,提高了风电场模型的预测通用性和精度。论文的主要研究内容以及结论如下:(1)采用大涡模拟方法对中等间距风电场(A类),大流向间距风电场(B类)和大展向间距风电场(C类)进行了数值模拟。研究发现,对于A类和B类风电场,风电机组和大气边界层发生充分相互作用,轮毂平面形成了完整的尾流层,平均速度剖面具有明显的“三个应力层”特征。而C类风电场由于展向间距较大,大量高速流动在相邻列风电机组间通过,尾流层弱化。在风电机组作用下,B和C类风电场均具有较高的流动不均匀性,风电机组对应来流风速和轮毂高度平面平均风速具有显著差异。(2)基于“三个应力层”的速度剖面假设,考虑尾流层的流动不均匀性,发展了一种通用的风电场边界层模型。通过改进的Jensen模型与新的风电场边界层模型耦合求解流场不均匀度系数。结果显示,相对于现有的风电场边界层模型,该模型显著提高了风电场等效粗糙度的预测精度和普适性。针对实际风电场,考虑入口效应,采用新的尾流边界层模型对风电场输出功率进行了预测,证实了尾流边界层模型在实际风电场应用中的有效性。(3)在充分发展风电场中,外部流动由风电场等效摩擦速度所主导,流向脉动动能和展向脉动动能随高度呈现对数率分布,垂向动量通量呈现线性率分布。基于该规律,结合新的风电场尾流边界层模型,提出了风电场边界层湍流统计量的预测模型,可实现对以上三种湍流统计量的有效预测。本文提出的尾流边界层模型考虑了真实风电场的速度分布特征,具有较高的预测精度,具有很好的实际应用价值。