随着传统化石能源的日益枯竭,可再生的清洁能源成为各国发展的迫切需求。潮流能作为一种绿色新型能源,成为了研究的重点。水平轴水轮机是一种主要的潮流能转换装置。随着技术的进步,水轮机的大型化成为发展趋势,日益大型化的水轮机会带来诸如叶片空化、水弹性等一系列研究问题。本文基于粘性流体力学理论及结构有限元理论,针对水平轴潮流能叶轮,采用单、双向流固耦合的方法,结合多相流(V0F)模型,研究其水动力性能和结构性能;并基于复合材料力学及弯扭耦合理论,设计优化了一种具有弯扭耦合效应的复合材料水轮机叶片。通过本文的研究,为水平轴水轮机性能的预测及叶片设计提供了参考。本文主要开展了以下几方面的研究。基于CFD数值模拟方法,结合空化模型及自由表面波对水平轴水轮机的水动力性能及空化特性进行分析。模拟了潮流能水轮机叶片表面片状空泡的生成发展,探讨了影响叶片空化的主要因素,并深入分析了空化对水轮机性能的影响规律。在CFD数值模拟的基础上,基于结构有限元理论,采用单、双向流固耦合的方法,分析潮流能水轮机的水动力性能及结构性能及其耦合规律,通过对比分析探讨了单、双向流固耦合方法在水轮机性能预测上的优缺点。基于复合材料力学及弯扭耦合理论,设计了一种具有弯扭耦合效应的自适应复合材料叶片,采用多变量、多目标的优化方法对叶片的安装角、铺层纤维厚度进行了优化,使水动力性能、结构性能、造价达到协调最优,并对优化设计后的叶片进行双向流固耦合分析,证明该叶片具有更好的水动力性能及结构性能。