竖直轴潮流能发电机是发展海洋能的重要形式之一,近年来在潮流能开发中得到了广泛的研究和应用。本文研究Darrieus型竖直轴潮流能水轮机,是依靠其独特的几何结构和叶片翼型工作,叶片在不同相位角时不同的叶片攻角产生的升力进行的旋转,因此也被称为升力型水轮机。本文采用数值计算的方法研究竖直轴潮流能水轮机的水动力学性能,讨论其能量转换过程和流动特性,分析低来流速度对水轮机能量性能及流动特性的影响,为Darrieus型水轮机的优化设计和应用提供指导。首先,介绍了竖直轴潮流能水轮机的理论基础和和数值计算方法,建立了竖直轴潮流能水轮机的计算物理模型并划分流动区域网格,实验结果验证计算方法的正确性。对竖直轴潮流水轮机的能量及流动特性进行了研究分析,发现水轮机的能量性能具有极强的时序波动性,在高叶尖速比时功率输出系数的变化规律接近于正弦变化,而单叶片的功率输出系数主要分为两个阶段,叶片上游区域的一个峰值阶段和下游区域的波动阶段。讨论了内部流场的分布情况,引入了涡量输运方程重点分析了涡的相干结构后,发现涡主要是受相对拉伸项驱动;分析了水轮机内部受力情况,发现了水轮机的径向受力不完全对称,在210°相位角时存在偏移,原因是此处的叶片表面涡脱落产生了一定的拉力造成的径向力;叶片表面涡及叶顶涡的存在对叶片表面压力有一定的影响,叶片表面涡脱落造成了水轮机尾迹流动的不稳定,且此现象和叶轮叶尖速比有着较强的相关性,是由于叶片翼型失速特性造成的。其次,分析了低来流速度下水轮机的能量性能及流动特性,发现来流速度的降低主要影响的时水轮机单叶片瞬时功率系数的峰值,叶片最大峰值也会向低相位角下偏移。同时发现,来流速度的降低会降低水轮机内部的涡量强度,使其内部流场的流场变得更为稳定。最后,讨论了水轮机叶片参数对能量性能和流动状态的影响分析,使用正交实验的方法确定了影响水轮机运行的主要因素。依靠涡量理论进行了优化再设计,分析讨论了不同几何结构对水轮机性能及流场的影响,提出了叶顶涡量抑制结构以进一步提升了水轮机的性能,改善了水轮机内部流动状态,减小了二次效应,使其具有更高的能量转换效率。