摘要：随着信息时代的到来，人类社会飞速发展，但是危机也随之而来。能源作为经济的重要支撑，是人类社会的基础。但是随着人类对于化石能源的不断开采，世界化石能源的储量已经告急。而且过度使用化石能源会导致温室效应等环境污染的加剧。作为一种储量大、分布广、同时清洁环保的可再生能源，风能已经引起了各国高度的重视，世界各国也在加速开发风力资源。可是随着风能资源的进一步开发，风电场选址的目标逐渐从平坦地形转向复杂地形。当风力机处于平坦地形时，由于风均匀流动、湍流度小，所以风力机运行平稳。在复杂地形上建设风力发电机组时，就要考虑地形起伏引起的地面效应，所以复杂地形条件下风力机尾流场以其复杂性逐渐成为研究热点。因此，本文针对此问题做了以下的研究。

（1）使用热线风速仪和其他的辅助仪器在风洞中测量了不同转速，风轮后2、5和8（代表风轮直径）位置处的尾流场。结果表明，由于高斯地形的遮挡效应和边界层的存在，风速总体来说是随着高度的增加而增加。当风力机转速增加时，风轮中心处的风速就越小，说明在低叶尖速比的情况下，风力机从空气中吸收的能量越多；风轮上端的风速几乎不受转速影响；风轮上端的风速几乎不受转速影响；当离风轮较近时，风轮下端的风速也不受转速影响，但当距离风轮较远时，会出现和风轮中心处相同的风速分布。此外，当离高斯地形越近，山坡的遮挡效应就越明显，风速下降得越多；但是当高度超过两倍山坡高度后，风场就几乎不会受到地形的影响了。

（2）使用二维Jensen-Gaussian尾流模型计算出了风力机后的尾流场，将其与实验数据作对比。结果表明，对于各个位置处的尾流速度来说，可以看出当转速越快时，实验数据越符合模型数据。在风轮的下半部分，实验测得的速度亏损更大，这是由于山坡地形的遮挡效应所导致的；而且对于风轮上半部分的风速，都出现了实验数据比模型风速更大的情况。这就存在两个原因，一是在前面推导出功率系数的过程存在偏差；二是气流由于山坡的加速效应，导致风速增加。尾流恢复速度会受到山坡的遮挡效应和加速效应的影响，对于风轮下半部分，遮挡效应使得尾流速度恢复减缓；对于风轮上半部分，加速效应使得尾流速度能够更快地加速到来流风速。当距离增加后，即达到8倍风轮直径后，山坡的遮挡效应逐渐减弱，对尾流速度恢复几乎就没有什么影响了。

关键词：水平轴风力机；尾流场特性；复杂地形；尾流模型；实验研究；

目  录

摘  要

Abstract

第1章 绪论-1

1.1 课题研究背景-1

1.2 国内外研究现状-3

1.3 本文研究内容-5

第2章 水平轴风力机的基本理论-6

2.1 风力机的主要参数-6

2.1.1 叶尖速比-6

2.1.2 实度-6

2.1.3 推力系数-6

2.1.4 功率系数-7

2.2 风力机经典理论-7

2.2.1 贝兹定律-7

2.2.2 动量理论-9

2.2.3 叶素动量理论-13

2.3 本章小结-15

第3章 复杂地形下风力机尾流的实验-16

3.1 实验场地-16

3.2 实验设备-16

3.2.1 复杂地形-16

3.2.2 风轮-17

3.2.3 直流电机-18

3.2.4 热线风速仪-19

3.2.5 Multi-Channel CTA系统-20

3.2.6 StreamLine Pro恒温热线测速仪系统-21

3.2.7 热线标定器-21

3.2.8 坐标架系统-22

3.3 实验原理-24

3.4 实验步骤-24

3.4.1 风力机尾流场实验-24

3.4.2 复杂地形实验-26

3.5 实验结果-27

3.5.1 风力机尾流场实验结果-27

3.5.2 复杂地形实验结果-31

3.6 本章小结-31

第4章 风力机尾流模型计算-33

4.1 风力机尾流模型简介-33

4.2 Jensen尾流模型-33

4.3 2D_K Jensen尾流模型-35

4.4 三维Jensen尾流模型-35

4.5 尾流模型计算-36

4.5.1 计算结果-36

4.5.2 尾流模型与实验结果对比-38

4.6 本章小结-44

第5章 结论与展望-45

5.1 结论-45

5.2 展望-46

参考文献-47

致谢-49