为缓解全球气候变暖现象,近年来风能的开发利用得到世界各国的重视。早期的风力设备主要安装在平原地区,随着人类对地表风资源认识的加深以及建造技术的发展,新建的风力设备较多地分布于平均风速更大的山地及海上。不同地貌上的大气层边界层风场性质各异,为风资源评估及风电厂运营模拟带来挑战。本文基于谱方法大涡模拟和致动线模型,发展了宽场景、高可信度的风能流场数值模拟平台,对平原、山地及海洋等多种大气边界层中的风机流场特征进行了系统研究,为复杂环境下的风能快速评估方法设计提供参考。具体研究内容包括:(1)平原风场数值模拟与边界层湍流来流生成。基于傅里叶基谱方法、时间分步法、动态亚格子应力模型以及对数律壁面模型,建立平原边界层风场大涡模拟数值框架;进行多种雷诺数下的槽道湍流模拟,验证数值框架精度。采用谱张量傅里叶变换和雷诺应力调幅法,发展边界层湍流来流的人工合成方法,并通过平原风场大涡模拟数值框架,研究边界层湍流来流的自保持性。(2)平原风机尾流自相似性发展机理的大涡模拟研究。针对风机流场中局部跳跃在谱方法中引起的数值振荡,提出光滑谱-有限差分混合求导方法;以平原风场大涡模拟数值框架为基础,采用致动线法、机舱塔架模型、入口速度松弛区、光滑谱-有限差分混合求导法以及高阶去假频法,建立平原风机流场的谱方法数值模拟框架。采用一维无粘Burgers方程的理论解,对光滑谱-有限差分法和高阶去假频法进行验证;依据小比例风机的风洞实验数据进行数值模拟,验证算法精度;结合轴对称尾流经典理论以及“尾流游荡-叶尖涡”碰撞假说,揭示平原风机尾流自相似的特征与机理。(3)山地风机流场的大涡模拟研究。针对山形表面起伏产生的非均匀压强,提出可考虑壁面粗糙度与非均匀压强的粗糙曲面积分型壁面模型;采用曲线坐标下的谱方法大涡模拟、粗糙曲面积分型壁面模型、拉格朗日平均尺度无关的动态亚格子应力模型、致动线法以及机舱塔架模型,建立山地风机流场的谱方法数值模拟框架。进行槽道湍流模拟,验证数值框架中的壁面模型与亚格子应力模型精度;基于该数值框架,研究山地自由风场与山地风机流场的发展特征,分析山体尾流与风机尾流的相互作用;发现山地风机尾流亏损分布与风机机舱所在高度处的流线走势一致,沿该流线得到山地风机尾流速度亏损的自相似性发展规律。(4)海上风机阵列流场的大涡模拟研究。以山地风机流场的谱方法数值模拟框架为基础,采用高阶谱方法波浪模拟与非定常致动线法,建立海上风机流场数值模拟框架。通过高阶斯托克斯波计算,验证高阶谱方法波浪模拟的精度。基于海上风机流场数值模拟框架,研究涌浪对上方自由风场的影响,研究固定式与浮式海上风机阵列的发电能力与流场特征。发现在相同的边界层顶部速度下,固定式海上风机阵列可获得更多风能;发现海上风机阵列的平均速度分布具有自相似性。