风力机运行在具有复杂结构的湍流大气边界层底部,且随着风电机组的大型化,其与大气边界层流动的相互作用更加突出,而风力机尾流作为大气湍流与风力机相互作用的产物,将会随着大气湍流的变化表现出高度的非定常性,从而影响整个风电场的安全、稳定运行,然而这些尾流的动态特性目前为止仍然规律不明、机理不清,因此,深入了解大气环境中尾流的演化规律将对风电场的规划、选址、控制策略、风功率预测及安全评估具有重要意义。鉴于此,本文将基于风力机外场实验结合数值模拟的方法,研究外场环境中风力机尾流演化规律。主要研究工作包括:（1）揭示近尾流叶尖涡在不同大气背景湍流中的演化规律。研究结果表明:近尾流的叶尖涡表现出湍流结构的局部性,主要特征出现在叶片通过频率（2f T）,且随着来流平均湍动能（TKE）的增加,叶尖涡的TKE也随之增加,但增幅有限,主要还是由风力机运行状态决定;当来流湍流尺度和强度增大时(TKE在3m~2s-2以上),在风轮扰动和叶尖涡的双重作用下,背景大气中的大尺度湍流结构失稳,出现众多高频的小尺度结构,即随着来流TKE的增加,高频段能量明显增加;来流TKE的增加将加剧尾流叶尖涡在水平和垂直方向的流动,进而引起叶尖涡影响范围的增加,同时,也将分散主流方向上的能量,导致叶尖涡恢复加快。（2）揭示大气环境中近尾流叶尖涡的融合/重组规律。研究表明:随着叶尖速比的增加,螺旋涡结构的螺距减小,相邻涡丝之间的相互作用增强,相邻叶尖涡出现涡的融合/重组现象,即叶尖涡在叶片通过频率（2f T）处的特征逐渐消失,特征频率向风轮转频（f T）处转移;叶尖涡结构的融合/重组增加了叶尖涡水平和垂直流动角,加剧了叶尖涡的膨胀,扩大了尾流的影响范围;此外,叶尖涡结构的融合/重组加快了高频湍流结构的耗散。（3）揭示机舱/塔筒对风力机近尾流湍流输运的影响机制。研究表明:大气湍流经过运行风力机调制后,尾流中的惯性子区起始位置由来流的0.3Hz移动至叶片通过频率2f T处,且在叶片通过频率2f T处出现峰值特征,这种峰值特征尤其是在叶尖和机舱对应位置表现得最为明显;机舱、塔筒脱落的涡结构与叶片上脱落的涡结构相互作用,在功率谱2f T之前出现畸变,产生一个能量相对稳定的频段,且功率谱的这种畸变在叶片中段对应的塔筒尾流区域表现得更为明显;随着叶尖速比的增加,塔筒影响区域的尾流中依然会出现叶片脱落涡的融合,且融合后的湍流结构在塔筒影响区域内占据主导地位;机舱/塔筒效应将加剧尾流结构的膨胀和非对称。（4）基于大涡模拟耦合致动线的方法,研究来流动态风向对尾流演化规律的影响,并提出了考虑动态风向的风电场尾流快速评估方法。研究结果表明:动态风向将引起尾流速度分布,湍流强度分布,蜿蜒特性及尾流边界发生变化;动态风向角的变化幅值越大或周期越小,尾流平均速度的恢复越快;动态风向变化增加了近尾流的湍流强度,同时也加快了尾涡结构的融合;动态风向条件下,叶尖涡出现的震荡现象提前发生,且随着风向角的变化幅值的增加,震荡幅度变大,震荡位置为尾流弯曲运动的转折点;动态风向将加剧尾流的蜿蜒,随着角度幅值的增加,尾流蜿蜒程度增强,尾流中心的最大偏移量随角度幅值增加呈现出二次幂的递增规律;风向角的动态变化同时改变了尾流水平方向和垂直方向上的影响范围,尤其是在远尾流的水平方向上;此外,考虑动态风向的风电场尾流快速评估方法可以更加准确的对风电场的发电量进行评估。（5）研究大气湍流度和大气稳定度对风力机尾流速度特性和蜿蜒特性的影响规律。结果表明:随着大气湍流度和大气非稳定度的增加,尾流平均速度的恢复提前,尾流影响范围不断增大;近尾流中尾流蜿蜒受大尺度高能湍流主导,而远尾流的蜿蜒受风轮自身动力学特性和来流湍流效应的共同影响;不同来流湍流强度条件下,尾流蜿蜒具有一定的相似性,且呈现出沿风轮轴线向四周运动的形式;大气稳定度的变化将引起尾流中心向远离地面的一侧移动,且随着不稳定度的增加,这一运动趋势愈加明显。