风力机逐步朝向大型化发展,这使得大气边界层湍流特性对风轮的影响越来越严重。当考虑风能利用优化时,中性大气是最需要研究的天气状况,因此,本文以一台33k W两叶片水平轴风力机为主要对象,研究中性大气来流中风速脉动对风轮气动载荷和尾涡结构所造成的影响。首先,基于雷诺时均理论,从相关性的角度得到了在均匀风和均匀湍流强度的风况下,湍流强度与风轮转矩、推力呈低度负相关,与偏航力矩、倾覆力矩呈低度正相关;切变的湍流强度会造成风轮轴向推力和转矩下降,相位滞后更加明显。其次,基于改进Von Karman谱、谐波叠加法和致动线理论编写了3D动态来流下风轮气动载荷求解程序,并通过与实验和理论规律对比验证了计算结果的准确性;针对远尾流场的速度建模,引入尾流边界非线性扩张模型,采用二维高斯分布模型,推导并建立了用于预测远尾流速度场的二维非线性高斯分布模型,并对该模型的准确性进行了验证。再次,基于所编写的程序,选取湍流强度、叶尖速比、风切变指数等作为来流特征参数,选取风轮功率系数、转矩系数、推力系数、倾覆力矩系数、偏航力矩系数等作为风轮气动特性监测量,通过L8(27)正交试验得到了各来流特征参数及其二级交互作用对风轮气动特性监测量影响的主次顺序,采用极差分析、显著性分析得到了倾覆力矩系数、偏航力矩系数是对湍流强度较敏感的监测量;之后从定量的目标出发采用通径分析的手段确定了湍流强度、叶尖速比、风切变指数对倾覆力矩的直接通径系数分别为0.516、0.309、0.752;湍流强度、风切变指数对偏航力矩的的直接通径系数分别为0.488、0.714;最后研究了不同湍流强度下风轮气动性能的与来流条件的相关性,通过功率谱分析发现,当来流出现比较强烈的脉动效应时,对应湍动能、相干湍动能同时达到较大水平且保持较长时间,水平脉动角、垂直脉动角分别达到各自极值,这种效应造成了转矩系数、推力系数、倾覆力矩系数、偏航力矩系数等4个监测量在对应时段出现了极值和较大波动;在动态风速来流条件下,功率系数、转矩系数和推力系数的谱峰位置均为转频的偶数倍;倾覆力矩系数、偏航力矩系数的谱峰位置均为转频的奇数倍;当湍流强度增大时,各监测量谱峰位置基本不变,但功率谱密度和谱峰峰值皆有增加;且增大相同的湍流强度时,较低湍流强度时谱密度增加量多于较高湍流强度。最后,基于大涡模拟和致动线理论,在Open FOAM平台上对SOWFA程序进行了编译和调试工作,结果表明计算所得风轮气动载荷与实验值误差在11%以下;计算所得叶尖涡环量占叶片有效段附着涡平均环量比为86.74%,与其他学者实验和数值模拟结果相符;之后在Open FOAM上根据课题组外场尾流实验条件调试了算例,计算结果表明中性大气下位势温度沿高度不变,地面附近平均速度分布与壁面律相符,脉动速度符合改进Von Karman谱。大气风场耦合计算中风轮气动载荷、尾流中速度分布及其恢复趋势、尾涡结构与实验和理论模型相符;当TKE、CTKE处在较高水平且维持较长时间时,会使风轮功率和推力产生较大波动,对风力机的稳定运行产生影响;来流湍流中TKE、CTKE的极大值与风速风向角的频繁变化有关,来流中较低频段的涡结构对风轮功率、推力的影响较为严重。在中性大气环境下,叶尖涡环量占叶片有效段附着涡平均环量比为45.93%;大气湍流会造成叶尖涡处环量占附着涡环量的百分比下降,加剧风轮尾流中叶尖涡的耗散运动。