风电机组发电的过程是通过风轮旋转将空气携带的动能转化成旋转机械能，再通过发电机转化成电能。风轮从空气中提取能量导致位于机组下游的区域速度降低，湍流强度增加，这种现象称为尾流效应。尾流效应使位于风电机组下游的机组发电量减少，疲劳载荷增加，从而导致整个风电场发电量减少，运行成本增加。为减少风电机组尾流导致的发电量损失和疲劳载荷，增加风电场的收益，减少机组维护成本，有必要采用高精度方法对风电机组的尾流流场特征进行深入研究。
　　风电机组从大气边界层中提取能量，不同地表粗糙度和大气稳定度条件下大气边界层的风剪切和湍流强度不一样，对风电机组尾流恢复速度、机组疲劳载荷和风电场发电量有显著影响。基于以上认识，本文围绕风电机组尾流效应开展了四个方面的工作。首先在OpenFOAM平台下采用大涡模拟方法研究不同地表粗糙度和大气稳定度下边界层的流场特点，然后构建一种二阶混合差分格式，并将其应用于复杂大气边界层条件下风电机组尾流流场研究，最后基于对大气边界层和风电机组尾流相互作用机理的深入认识，开发了一个新的MOST-Gaussian尾流模型。具体分述如下。
　　首先，对不同地表粗糙度和大气稳定度的大气边界层开展研究。为了模拟真实情况下的大气边界层流动，通过位温输运方程考虑地表和大气边界层的热对流效应。然后研究不同地表粗糙度和大气稳定度工况下大气边界层的流动特性，分析了这两个因素对边界层中平均速度、湍流强度、偏斜因子和平坦因子等流动特征参数的影响。对不同环境条件下的大气边界层进行对比发现，边界层中存在超大尺度结构，该结构的具体形态与地表粗糙度和大气稳定度有密切关系。通过对不同环境条件下大气边界层进行模拟，可以为风电机组尾流大涡模拟提供可靠的初始条件和入口边界条件。
　　其次，开发了一种适用于风电机组尾流大涡模拟的二阶混合格式。非结构有限体积法通常只有二阶精度，在有限体积框架下离散对流项时通常采用的二阶差分格式并不适用于风电机组尾流大涡模拟，即二阶中心差分格式稳定性较差，而二阶迎风格式耗散太大，对小尺度湍流结构的分辨率较低。基于上述考虑本文构建了一个二阶混合差分格式，较好地平衡了数值稳定性和求解精度。通过与风洞实验进行对比，验证了二阶混合差分格式的有效性。将三个二阶格式进行对比分析，发现二阶混合格式稳定性较好，同时也能捕捉到流场中的小尺度湍流结构，说明二阶混合格式可以较好地模拟风电机组尾流的流场特征。
　　再次，基于对大气边界层的深入认识和构建的二阶混合格式，开展地表粗糙度和大气稳定度对风电机组尾流影响研究。将大气边界层大涡模拟结果作为风电机组尾流大涡模拟的初始场和入口边界条件，采用二阶混合格式离散对流项，研究地表粗糙度和大气稳定度对尾流发展的影响。通过对比发现，地表粗糙度越大，速度恢复越快，大气边界层越不稳定，速度恢复越快。尾流区内速度恢复快慢和边界层中的湍流强度密切相关，为进一步开发解析尾流模型提供了必要的基础。
　　最后，在深入认识复杂大气环境下风电机组尾流演化规律的基础上，基于Monin-Obukhov相似性理论开发了一个可以考虑地表粗糙度和大气稳定度的MOST-Gaussian尾流模型。新模型将尾流扩张系数与展向湍流强度建立联系，更准确地反应了尾流恢复特点。通过与大涡模拟结果、风洞测量结果和风场测试结果进行对比，验证了MOST-Gaussian尾流模型在不同的地表粗糙度和大气稳定度工况下均有良好的表现，说明本文开发的MOST-Gaussian尾流模型在提高风电场优化布局效率、增加风电场发电量和收益方面具有非常好的潜力。