风力机常年运行在复杂的大气环境中,常伴随风向与风速的急速变化,使得风轮不能及时的对风而处于偏航运行状态。偏航运行时,风轮与来流风有效接触面积减小,捕获风能的能力下降,使得风力机实际输出功率下降。因此研究偏航状态下风力机气动特性与尾流场特性具有较大意义。本文通过对一台两叶片的33kW水平轴风力机进行外场试验和数值模拟,得到风轮在不同偏航角下运行时的气动特性与近尾流场结构特征,研究实验工况下风轮叶片表面压力分布、叶片表面流线特征、尾流特征与风轮三维旋转效应等,分析了偏航角对风轮气动载荷与尾流场结构的影响规律。（1）基于叶片表面压力测量实验工况的风力机数值模拟研究。利用兰州理工大学外场实验平台,对叶片表面压力、来流及风力机运行参数进行测量,对风轮进行该实验工况的数值模拟,分析叶片表面压力分布、叶片表面流线、尾流区速度与湍流特性。研究发现,叶片叶尖到叶根表面压力压差分布先增大后减小,1#至4#翼型数值计算结果与实验结果压力分布曲线吻合度较高,叶根附近5#至7#翼型压力分布实验结果与计算结果存在较大偏差,这是由于本文采用的标准k-?湍流模型对大尺度分离流引起的非定常特性预测能力有限引起的;该工况下,叶片吸力面发生大面积的流动分离,且越靠近叶根流动分离范围越大。尾流特征研究发现,该工况下风轮尾流发生偏斜现象;速度亏损在风轮后1D处最严重,6D处速度恢复至来流风速轴向分量的87.4%;叶尖涡向下游发展的过程,涡核中心的涡量减小,涡核半径增大;在风轮后1D处最大湍流强度值为5.4×10^-2,随与风轮平面距离的增大,湍流强度逐渐减小,6D处最大湍流强度为2.1×10^-2。通过对比分析尾流中心线两侧速度与湍流分布,发现尾流两侧出现明显的非对称性。（2）实验工况下的叶片三维旋转效应研究。基于实验工况数值模拟,对叶片7个截面对应翼型进行相应入流的二维数值计算,通过对比分析二、三维计算结果,开展风轮三维旋转效应研究。通过对比分析翼型压力分布及升力特性发现,由于三维旋转效应影响,使得翼型上下翼面压差及升力系数三维计算结果均大于二维计算结果,偏差在叶尖及叶根处较明显。在1#翼型吸力面压力绝对值最大的位置,三维计算结果表面压力绝对值较二维增大58.4%,升力系数上升22.23%;5#翼型在吸力面19.8%弦长处三维计算结果表面压力绝对值较二维增大56.9%,升力系数上升14.8%;6#与7#翼型在吸力面前缘点三维计算表面压力绝对值分别较二维增大45%、259.5%,升力系数分别上升24.1%、87.6%,压差与升力偏差在叶根处最明显。同时,三维效应作用减小了翼型表面的流动分离区域,使流动分离延迟,分离点沿弦向向尾缘方向移动。5#翼型延迟现象最明显,分离点滞后12.33%。（3）偏航角对风力机气动载荷及尾流特性影响研究。通过改变风力机偏航角度,研究偏航角对风力机风轮推力、转矩、功率、尾流区速度与湍流特性,以及叶片表面压力分布和三维转转效应的影响。研究发现,随偏航角增大,风轮气动推力、转矩及功率均减小,偏航角为45°时,风力机功率下降到8.1kW,比偏航0°时功率下降38.3%;随着风轮偏航角增大,风轮推力的能量升高,风轮在不同偏航角下运行时,推力功率谱出现明显峰值,其峰值对应的频率为1.86Hz,与叶片的通过频率相等。随偏航角增大,叶片展向各截面翼型的上、下翼面压差减小,叶尖附近压力分布对偏航不敏感,吸力面前缘附近压力分布对偏航最敏感。风力机偏航运行时,叶片同一截面翼型在0°方位角下压差最小,180°方位角压差最大,90°与270°方位角时,压差适中,且压差值基本一致。随着偏航角增大,尾流区的非对称性与偏斜现象越明显,风轮后周期性变化的尾流区越长,轴向速度最大亏损量越大,但轴向速度亏损恢复更快。湍流强度分布随着偏航角度增大不再呈现对称分布,倒“W”型分布逐渐转化为单峰分布,湍流强度恢复速度加快。