风电机组尾流会造成下游风速降低、湍流度增加,导致尾流区机组的发电量降低、疲劳载荷增加,是风电领域的研究热点和难点。作为定量描述机组尾流的重要工具,尾流解析模型具有结构简单、计算快捷、精度高、成本低等优点,在理论研究和工程实际中得到了广泛应用,但目前常用的尾流解析模型仍存在一定缺陷。为了解决这些问题,本文用大涡模拟深入研究了单台机组尾流的演化规律,基于动量定理和质量守恒提出了两个高精度的二维解析模型,并用不同类型数据对模型精度进行综合验证。论文主要研究内容和研究成果包括:(1)利用大涡模拟深入研究了单台风电机组尾流的流动结构和演化规律。在三个不同地表粗糙度下,重点分析了单台机组尾流区的速度损失、湍流强度、雷诺切应力等典型特征量。数值结果表明,地表越粗糙,尾流区湍流掺混作用和动量输运越剧烈,尾流恢复越快,且地表粗糙度会直接影响尾流膨胀系数。(2)基于动量定理,发展了高精度的尾流二维解析模型。考虑了真实尾流速度损失剖面和标准高斯函数之间的差异,定义真实尾流的物理边界rw位于高斯分布的2σ处(σ是高斯分布标准差);引入物理意义更直观的尾流膨胀系数k表征尾流边界的线性膨胀规律;基于动量定理、高斯分布和尾流线性膨胀模型,提出了高精度的尾流二维解析模型,且模型结果与仿真数据、风洞实验数据、现场实测数据吻合得很好。另外,对于常规工况和中等粗糙度下的风电机组,尾流膨胀系数取陆上风电场推荐值k=0.075能够获得很高的模型预测精度,这有利于该模型的大规模工程应用。(3)基于质量守恒,发展了高精度的尾流二维解析模型。在一个微元流管中应用质量守恒、动量定理和伯努利方程得到上游到压力恢复区内的速度分布;在远场尾流区应用质量守恒,对一维Jensen模型直接进行扩展;考虑压力恢复区的膨胀,得到修正后的高精度尾流二维解析模型。经验证,该模型显著优于一维模型和其他二维Jensen模型,且结构简单、计算成本低、便于大规模工程应用。本文提出的两个尾流二维解析模型都具有结构简单、计算快捷、成本低、精度高等优点,具有很好的工程应用价值。