转轮是水能利用系统的核心装备。虽然升力型转轮的能量利用系数较高,但其自启性能和运行稳定性较差,且设计制造难度大;而阻力型转轮的结构简单,启动性能良好,维护成本低,近年来成为小规模水能利用领域的热点研究对象。目前对阻力型转轮吸收风能的研究较多,但将阻力型转轮放置于水中的研究工作并不多见,尤其是关于流动实验的研究鲜见报道。流场是决定转轮的能量转化能力和运行稳定性的关键,转轮周围的流动参数分布是评价转轮工作能力的直接参照,也为转轮的优化设计提供依据。本文以阻力型转轮周围的流动特征为着眼点,运用先进的测量与数值模拟手段获得流场的定量数据,进而分析影响转轮转动的因素,建立流动与转轮外在性能之间的关系。本文的主要研究内容与结论如下:(1)以Savonius转轮和Bach转轮两个阻力型转轮为研究对象,设计转轮的实验模型,以铜合金为材质加工制作实验模型;以循环水洞为流动测试平台,借助粒子图像速度场仪(PIV)对转轮周围的流动进行无扰动测量,分别采用自上和自下打光的方式,实现了转轮周围完整流场的测量。改变来流速度和转轮的安放角,对转轮周围的流速分布和流动结构进行测量与对比分析。通过测量发现,转轮下游存在着不同尺度的旋涡结构;当转轮安放角不同时,转轮下游的特征旋涡的形状和涡核位置存在明显差异。紧邻转轮的下游位置,大尺度旋涡占据主导地位,随着来流速度增加,这些旋涡结构发生变形,尾流的形态也随之变化。大尺度的旋涡之间发生相互作用而生成小尺度旋涡,从而加剧能量耗散;Savonius转轮和Bach转轮的尾流场和上游流场的形态分别相似,但Bach转轮附近的流场在工况变化时的稳定性较强。(2)采用计算流体动力学(CFD)方法对转轮周围的流动进行三维定常数值模拟,所采用的几何模型的尺寸与实验模型尺寸一致,且数值模拟的边界条件与水洞实验相匹配。在进行网格无关性验证的基础上,将数值模拟结果与测量结果相对比,验证数值模拟方案的有效性。通过定常数值模拟获得了两个转轮在静止状态下的流速和静压强分布,对实验结果进行了有效的补充。由于采用了非透明的转轮模型,PIV测量并不能同时获得转轮附近的完整流场特征。CFD结果有效地补充了实验研究工作。通过数值模拟,不但建立了转轮周围完整的流速分布,并且解释了转轮迎流叶片和返回叶片表面的静压强分布特征。借助静压强分布,对影响转轮转动的关键因素进行了分析,描述了安放角对转轮力矩性能的影响,借助流动参数分布评估了两个转轮输出力矩的能力。(3)借助非定常数值模拟手段研究了Savonius转轮和Bach转轮在旋转状态下的瞬态流动参数分布、输出力矩和功率系数随转轮旋转的变化;定量地表达了两个转轮的输出力矩和功率系数在一个完整旋转周期内的波动特征,并与瞬时的流场特征进行了关联分析,评估了转轮的水动能转化能力,进而对比分析了两个转轮在接近真实工作状态下的性能。非定常速度分布和静压强分布能够反映两个转轮的真实运行情况。两个转轮的输出力矩均随着转轮的旋转呈现周期性变化特征,在一个完整的旋转周期内,两个转轮的输出力矩均出现明显的波动;相对而言,Bach转轮的输出力矩较大,并且产生负的输出力矩的安放角区间较窄。Bach转轮的能量系数较高,其最大的能量系数比Savonius转轮高出23.8%。本文综合采用流动测量和数值模拟相结合的方法,对Savonius转轮和Bach转轮吸收水动能时的流场特征和转轮性能进行了研究,分析了影响阻力型转轮性能的主要因素,描述了流动与转轮性能的关系,研究结论加深了对阻力型转轮流动理论的理解,也为阻力型水力转轮的优化设计提供了重要参照。