潮流能作为一种清洁、可再生的能源,其开发利用有利于我国社会经济的可持续发展。然而,潮流能水轮机的运行会扰动周围海域的潮流运动,改变潮流能密度分布,同时也引起水动力环境变化。准确地预测水轮机周围潮流流场的变化,有助于水轮机阵列的优化布置,实现潮流能经济效益的最大化和水动力环境影响的最小化。论文通过物理实验对水平轴水轮机周围流场的变化进行了研究。结果表明,水轮机转轮对上游水流运动的影响很小,而在下游产生一个明显的尾流区,并且尾流近区速度亏损区出现环流运动。悬挂式固定结构对转轮上方运动水流产生阻挡作用,引起上、下游近区水流速度减小,导致垂向上尾流区的速度亏损在转轴上方的衰减滞后,使得尾流向下游发展的过程中还缓慢地向自由水面移动。随着下游距离的增加,尾流区的速度亏损、紊动强度和雷诺切应力衰减。结合其它实验研究,论文初步分析了影响尾流结构发展的因素。发现转轮的叶尖速比主要影响了近区尾流结构分布,转轮周围水流的紊动强度和阻塞比共同影响尾流的衰减速度,而下游近区过流断面上的流速分布影响尾流结构的变化趋势。由物理实验验证的三维数学模型,能够比较准确地预测实际海域中潮流水轮机及阵列周围的流场变化。相对于单台水轮机,并排布置的小规模水轮机阵列增大了周围流场的变化幅度,减缓了下游尾流的衰减进程,并且阵列下游的尾流分区在衰减过程中逐渐合并。横跨过流断面的大规模水轮机阵列,对高水位和低水位均有抬高作用,但对低水位的影响更大。由于阵列的阻塞效应,垂向上尾流区速度减小的同时,转轮叶尖外围区的流速大幅度增加,加速了尾流的衰减进程。水轮机阵列的结构形式对潮流能获取量的分布有较大的影响。并排阵列中潮流能获取量的分布与海域内潮流能的分布趋势一致,减小的侧向间距可以提高阵列中水轮机获取潮流能的能力。多排交错布置的阵列改变了潮流的运动结构,引起潮流能密度重分布。由于上游尾流的影响,潮流能获取量在阵列中间较低,而在前后两端较高。阵列中侧距和径距的增大均能减小上游水轮机的尾流影响,提高阵列中间水轮机获取潮流能的能力。然而,侧距的增加还能够有效地减小阵列的阻塞效应,加速上游尾流的衰减。