海流能作为一种分布广泛、能量大且稳定的可再生能源,可以为海洋空间站、预置武器、充电基站以及潜标等海洋装备提供长期的能源补给,因此如何高效开发利用海流能资源成为目前研究热点问题。海流能水轮机作为一种可以高效稳定的将海流能转换为电能的装置,在海流能开发利用过程中广泛应用。在海流能水轮机设计研发过程,多变的海流环境对水轮机水动力性能影响较大,如何在复杂的海洋环境中提高水轮机的获能效率是目前研究的重点方向。本文首先对水轮机周围海流环境展开分析研究,根据水轮机周围海流流速较低、受来流流速和流向波动影响较大的特点,基于动量理论、叶素理论和叶片设计基础理论对水轮机叶片设计流程进行研究,结合海洋装备的能源补给需求,提出水轮机设计技术指标,利用Wilson设计方法设计适用于低速动态来流环境下工作的水轮机叶片。在水轮机模型建立的基础上,本文主要从CFD仿真模拟的角度围绕水轮机在复杂海流环境条件下的水动力特性展开研究。为了模拟水轮机在复杂海流环境条件下的运动,提出采用重叠网格技术实现水轮机在计算域中的多自由度运动,结合DFBI运动求解模型实现对水轮机在来流作用下被动运动过程,详细监测水轮机在非定常来流作用下流场变化和水动力特性。针对水轮机在复杂海流环境中的水动力特性研究,将复杂海流环境中主要变化量流速和流向作为本文研究变量,通过改变流场进口条件模拟非定常来流条件,对比分析了不同流速和流向变化条件对水轮机水动力特性影响。研究表明流速和流向波动都会导致水轮机周围流场产生波动,叶片发生明显失速现象,水轮机获能效率快速下降,因此水轮机在非定常来流和稳定来流的理想环境条件下运行差异较大,水轮机水动力性能受复杂海流环境影响较大。针对在复杂海流环境中流速和流向非定常波动对水轮机水动力特性的影响,本文提出了采用导流罩和尾舵进行结构优化。研究表明加装导流罩可以抑制流速波动对水轮机水动力性能影响,有效提高水轮机获能效率;加装尾舵结构可以实现水轮机叶轮自对流运行,减弱来流流向变化对水轮机获能效率影响。本文的研究成果可以为海流能水轮机在实际工程设计应用提供参考和指导,具有重要的理论意义及应用价值。