化石燃料的大量使用造成了环境恶化和常规能源枯竭,世界各国都在寻找替代能源。与其他类型的替代能源相比,潮流能拥有可再生、可预测、对环境和视觉的影响较小等优势,获得了广泛的重视。潮流能水轮机是从潮流中提取能量的装置。根据结构形式,潮流能水轮机可分为竖轴水轮机和水平轴水轮机。相比水平轴水轮机,竖轴水轮机有一些独特的优势,如工作不受流向影响、维护简单、发电机舱不影响水轮机流场、噪声低不易空化等,吸引了许多学者的注意。但也有一些问题阻碍了竖轴水轮机的应用,如较差的自启动性能、相对低的获能效率、输出脉动等。本文针对竖轴水轮机获能效率低、自启动性能差、输出及荷载脉动的缺点,通过数值模拟与物理模型试验研究了水轮机叶片端部涡流、不同水轮机叶片排列形式、水轮机加装流体增速装置的水动力特性。成果应用在15 kW竖轴潮流能试验装置上并进行了实海况试验,获得了较好的效果。本文主要内容如下:通过三维机翼理论研究了水轮机叶片端部涡流的产生机理与影响因素,探索在水轮机叶片端部加装端板来抑制叶片端部涡流、进而提升水轮机获能的改进方法。通过物理模型试验和数值模拟(Ansys Fluent软件)研究了三叶片水轮机的水动力特性,基于叶片旋转过程中端部涡流的影响范围设计了端板形状,通过数值模拟与物理模型试验验证了加装端板提升水轮机获能的有效性。在完整端板形状的基础上将端板减半,通过减阻和调节叶片两侧压力分布来进一步提升水轮机性能。以数值模拟研究了水轮机加装内半边与外半边端板时的水动力性能,分析了加装内半边与外半边端板时水轮机叶片的输出特性与作用机理。以物理模型试验方法研究了不同叶片数的单层叶片水轮机获能效率随尖速比变化规律,通过计算水轮机在不同停止位置时的水动力转矩来判断水轮机的自启动性能。使用耦合式数值模拟方法研究了一种新式的双层六叶片水轮机的水动力性能,分析了其内层叶片半径及相位差角变化时对水轮机获能、负载特性和自启动性能的影响。以数值模拟研究了不同扭转角同轴双转子水轮机的自启动性能、获能效率及输出特性,并与同展长的三叶片水轮机进行了比较。基于不同形式水轮机的性能特点,对其适用范围进行了分析。基于导流罩和扩散器原理设计了结构简单、易于建造且适应往复流向的聚流增速装置,通过数值模拟与物理模型试验研究了其在水槽中的增速效果,并进行了二维、三维开敞环境的数值模拟,以使结果具有普遍性。基于三维开敞环境的数值模拟结果,分析了不同流向时扩张板长度与角度变化对增速装置内部增速效果的影响,以及增速装置所受轴向力的大小。使用耦合式数值模拟方法研究了三叶片水轮机加装增速装置前后水轮机运转尖速比区间、水轮机获能效率、负载特性及叶片输出沿方位角分布的变化,并分析了扩张板角度与长度变化对水轮机性能的影响。在实际海域对一台采用60°扭转角同轴双转子水轮机、装机容量为15 kW的竖轴潮流能发电装置性能进行测试。基于海试数据,分析了水轮机的运转尖速比区间及最优尖速比,高潮位与低潮位期间的平均获能效率、发电量及对应潮流周期的容量因数,自启动流速的分布,及系统获能效率随流速的变化。海试后期在水轮机展向一侧加装了增速装置,分析了加装增速装置后水轮机的性能变化。通过二维数值模拟研究了隔流板及支撑桩柱对水轮机性能的影响,及由水轮机运转诱导引起的流速测量偏差,并对水轮机性能进行修正估算。海试过程中观察到波浪作用和海洋生物附着可能对潮流能机组的运行产生威胁,流速脉动和水轮机负载调控失效会造成水轮机停机,在未来潮流能发电项目的设计建造及运行过程中应予以注意。