潮流能具有储量大、分布广及能量密度高等优点,被认为是最具有开发潜能的海洋可再生能源之一,潮流能发电技术已成为当下国内外研究的热点。我国海岸线漫长,潮流能资源丰富,但大部分海域流速较低,如何在低流速情况下高效获能,是我国潮流能发电技术发展的核心问题。目前,潮流能发电机组多采用水平轴形式,叶轮作为其能量捕获的核心部件,其性能优劣决定着潮流能发电机组的能量捕获效率。针对低流速海况下潮流能发电机组获能功率低及能量捕获效率低的问题,本文提出了一种基于叶尖小翼和导流罩的叶轮结构,并通过数值模拟的方法探究其水动力性能和稳定性。本文主要研究内容和结果如下:首先,本文对基于叶尖小翼的叶轮进行设计,确定叶轮结构参数;并采用Wilson理论对叶片水动力外形进行优化,得到修正后的叶片外形参数;在此基础上,通过CFD数值仿真研究翼型、叶片数目、叶尖小翼倾斜角对叶轮水动力性能的影响,仿真结果表明NACA4412、NACA4418和NACA4421三种翼型升阻比变化规律相近,迎角为5°时升阻比达到峰值;较2叶片、3叶片和5叶片结构,4叶片叶轮结构捕能效率最高,可达到41.48%,其扭矩为57.21N·m,更易于低流速启动;并得到了小翼倾斜角和叶轮捕能效率的关系曲线,叶轮捕能效率随着小翼倾斜角的增加而提升,在小翼倾斜角为90°时,捕能效率达到47.76%,较未安装小翼时效率提升了6.28%。其次,本文采用正交设计方法对增速导流罩进行了外形设计,并给出了9种增速导流罩设计方案,在此基础上通过CFD数值模拟方法得到了9种方案的导流罩喉部加速比,并采用极差分析方法得出了入口张角α1、出口张角α2、渐缩段长度L1和渐扩段长度L2对导流罩增速性能影响的主次顺序,分析结果表明采用方案3为最优水平组合,该设计方案增速效果最好,在流速为1m/s时其喉部加速比达到1.901,并且发现导流罩喉部加速比随着流速增大而增大,在流速达到3m/s时,导流罩喉部加速比达到2.03。最后,本文对带有导流罩的叶轮整体进行水动力性能分析,仿真结果表明采用该叶轮结构功率提升133%,增功效果明显。但叶片所承受的轴向载荷也随之增加了76%,考虑到叶轮结构可靠性,本文采用ANSYS对叶片进行极限工况载荷分析、模态分析及屈曲分析,结果表明叶片最大变形量是9.8267mm,最小安全系数为1.9867,满足叶片刚度和强度设计要求;叶片的一阶振动频率为38.139Hz,叶轮转动频率远小于一阶振动频率,不会发生共振现象;叶片的前六阶失稳屈曲系数都在1以上,结构不会发生屈曲。本文研究了叶尖小翼和导流罩对潮流能发电机组叶轮能量捕获效率及发电功率的积极影响,为低流速潮流能发电机组叶轮设计提供了参考方案。