潮流能是一种新型可再生清洁能源,对于缓解能源危机和环境污染、促进社会经济可持续发展具有重要意义。水平轴潮流能水轮机作为潮流能获取的一种有效手段,得到了国内外学者的广泛关注。本文以一种新型的对转式水平轴潮流能水轮机为研究对象,从翼型、叶素和叶轮三个层面入手探索对转式叶轮设计流程,并通过风洞实验、水洞实验和流场可视化实验对对转式叶轮的工作性能和近尾区流场特性开展了详细研究。论文主要包括以下几方面内容:1.构建了一种针对翼型的参数化建模和多目标优化策略。翼型参数化建模以Bezier曲线为手段,采用界面操作与单目标优化相结合的方式使拟合曲线快速逼近原始翼型,拟合误差低于0.02%,实现了效率与精度的有机统一。翼型多目标优化采用NSGA II算法耦合XFOIL程序对翼型全工况下的性能进行优化,在目标函数中引入升阻比方差,实现了对优化方向的分化和控制。以翼型E387为例演示了建模和优化的全部过程,对拟合和优化结果进行了评估。2.在翼型优化的基础上继续阐述叶轮设计的基本流程,从一维动量理论开始对叶素动量理论的基本原理与方法进行了详细论述,并对对转式潮流能水轮机的结构特点和性能优势进行了介绍。完成了从翼型到叶素,进而到叶轮的设计流程,为后续实验研究奠定了基础。3.构建对转式叶轮性能测试平台,以实验手段对比了传统单叶轮与对转式叶轮的性能差异,研究了前后叶轮叶片安放角和轴向间距对对转式叶轮性能(功率系数峰值、高效区等)的影响。实验表明,对转式叶轮具有比传统叶轮更为优异的性能。在保证前叶轮不变的前提下,增设后叶轮可有效提升能量获取效率,使性能曲线得以改善。前后叶轮叶片安放角的调整可对峰值性能和高效区范围产生影响。轴向间距的作用在中高叶尖速比区间内较为显著,在低叶尖速比区间,轴向间距对功率系数基本没有影响。水洞实验与风洞实验的数据对比表明,两种实验介质下对转式叶轮的性能曲线具有相同的特征。4.在对转式叶轮性能测试平台的基础上搭建三维流场测试系统,制定实验方案,通过PIV“均相”技术对对转式叶轮近尾区的轴向、径向和切向三个方向的速度进行了测试。通过轴向速度和切向速度的分布对对转式叶轮的速度损失和后叶轮对前叶轮旋转尾流的吸收作用进行了验证。研究发现,尾流的吸收不仅在最优工况点有效,在功率系数较低的偏工况点依然有效。通过PIV“锁相”技术成功捕捉到了叶尖涡旋管结构,并对其形态、强度和运动发展进行了研究。对转式叶轮中后叶轮的存在加强了涡核的径向运动,扩大了涡旋管的水力直径。叶尖速比的提高缩短了涡旋管的水力螺距。适当增加叶尖速比与轴向间距有利于抑制涡旋强度。本文的研究内容对对转式水平轴潮流能水轮机叶轮设计与优化具有一定的指导意义。