在能源紧缺的今天,国内外学者的研究重点放在了可再生资源上,海洋潮流做为可再生资源的一种已经受到高度重视。我国海洋潮流能蕴藏量巨大,它开发利用的潜力十分可观。竖轴潮流能水轮机是当前世界上应用较为普遍的潮流能转换利用装置之一,对此种潮流能转换装置水动力特性全面细致研究,能够指导设计开发潮流能转换利用更加高效的装置,对缓解逐渐严峻的能源与环境问题有非常重要价值。但是由于竖轴水轮机自身结构形式决定,其流体动力特性非常复杂,竖轴水轮机流体动力学特性设计中的很多基础问题至今没有得到很好的解决,本文以竖轴潮流能水轮机实用化开发为目的,利用数值模拟和模型试验相结合的方法对固定偏角和自由变偏角两种竖轴水轮机进行了系统的研究。论文分析了当前国内外主流竖轴发电装置的基本原理与结构组成,介绍了竖轴叶轮的流体动力性能与优化方法的进展。论文的主要工作如下:1.建立了竖轴轮机转子的运动学与动力学,统一定义了轮机的几何学、运动学及动力学参数,阐述了轮机的工作原理,分析了速比与叶片偏角对轮机能量利用率的影响。2.以涡面元法为基础,提出了一种新的奇点分布方式,将源汇和涡都布置在机翼表面上,用常值涡片来模拟脱落的尾涡,结合Kutta条件建立了单叶片非定常运动的有限涡模型,为优化工作提供了理论基础。3.使用有限涡方法对固定偏角型轮机和变偏角型轮机进行了载荷预报,通过具体算例和模型试验结果相对比,验证了该方法的准确性与可靠性,最后通过摆线式变偏角轮机算例指出通过改变叶片在运行过程中的偏角可以提高能量利用律,减少叶片载荷波动幅值。