平坦地形是风电场选址的理想地形,但随着人类对清洁能源需求的不断增加,平坦地形风资源丰富地区的风场己基本开发殆尽,陆上风电开发重点转向复杂地形。然而,复杂地形特征会导致大气湍流度增大,大气湍流结构更加复杂,使得对于风资源状况的准确评估难度更大。因此,准确分析、评估复杂地风场的流场特征,将为风电场规划、微观选址、风力机机型选择及其载荷计算提供依据,为风电场风功率预测及风能资源的最大化利用提供指导。本文以Ris?实验室开展的Bolund岛实验结果为依据,采用人工合成湍流入口边界(LeMOS)耦合大涡模拟(LES)的方法,对Bolund岛风场流动开展数值模拟,通过与实测结果进行对比,验证人工合成湍流入口边界(LeMOS)耦合大涡模拟(LES)方法生成湍流风场对复杂地形的适用性;进而采用该方法结合致动盘模型对Nibe风电场中的Nibe B风力机进行数值模拟,研究平坦地形时风力机的尾流场特性;最后对某真实山地地形风场开展数值模拟,研究复杂地形的流场特性,以及山地地形中风力机的尾流特征。(1)本文所采用的人工合成湍流入口边界耦合大涡模拟生成的湍流风场中速度脉动特征明显,在整个时程内,速度场并无明显衰减、流场中不同高度处平均湍流强度与湍流强度脉动特征保持性好;针对Bolund岛开展239°与270°方向来流条件的数值模拟,在Line A特征线上表现出5m高度处模拟值比2m处更接近实验值,在岛前位置模拟结果比岛后位置模拟结果更准确。LeMOS-LES方法生成湍流风场更接近真实大气流动特征,并能够有效揭示Bolund岛地形周围流动的绕流特征和尾流特征。(2)采用湍流入口边界生成更接近真实大气边界层的湍流风场,开展Nibe B风力机的数值模拟,通过研究风力机周围流速变化、尾流区典型位置处速度分布与湍流度变化规律,研究表明:风力机阻塞效应导致风轮前速度降低,来流距离风轮越近,减速越明显,在风轮前2D、1D、0.5D处,风速分别减小了约4%、6.3%、11.8%。风轮轴线以上尾流区域湍动能较大,风轮轴线以上尾流区与主流区掺混作用强,尾流风速恢复较快,风轮轴线以下尾流区与主流区掺混作用较弱,尾流速度恢复较慢,导致随着尾流向后发展尾流速度亏损最大位置向下偏移,在风轮后约6D左右,偏移距离不再变化。流体经过风轮后,尾流发生膨胀,尾流下边界与地面之间产生类似渐缩管效应的加速区,加速区范围约为3D左右,这个加速区对近尾流下边界产生挤压作用,这种挤压作用导致尾流上下边界不对称,在4D以后,尾流下边界逐渐接近地面,这种挤压作用逐渐消失。由于本文采用制动盘模型替代真实风轮,导致模拟结果与实验结果有所偏差,尾流速度恢复提前;与SST湍流模型耦合致动盘模型模拟结果相比,LeMOS-LES生成的湍流风场能更准确的模拟风力机尾流变化。因此期待在后续工作中开展基于修正致动模型的风力机尾流研究工作。(3)对某真实山地地形风场流动开展数值模拟,并结合地形特征在山顶典型位置布置两台风力机,研究山地地形对风力机尾流特性的影响,研究表明:山地地形较小尺度地形特征,对近地面流动影响较大,对高空流动影响不明显;山地地形大尺度山谷特征,会造成山体周围水平绕流特征明显增强。山体垂直方向绕流特征会导致山顶风力机尾流沿背风面山坡向下运动,山体水平绕流特征会对风力机尾流产生“挤压”作用,导致风轮尾流发生偏移,并且这种挤压作用会导致风力机尾流膨胀范围小于平坦地形风力机尾流膨胀范围;山地地形背风面山谷会导致风力机尾流向山谷侧偏移,使得风轮尾流横向(y方向)湍流强度“双峰效应”的靠近山谷侧峰值增大。(4)对比山地地形风力机与平坦地形风力机尾流速度亏损变化可知,风力机尾流区不同位置处,山地地形风力机尾流速度亏损大于平坦地形风力机尾流速度亏损。在2.5D-4D之间,山地地形风力机尾流速度恢复速率基本与平坦地形风力机相同,在4D-7.5D范围内,平坦地形尾流速度恢复速率小于山地地形尾流恢复速率,由于山地地形水平绕流作用加快了风力机尾流与主流区的掺混过程,尾流区速度恢复速率加快。