潮流能是一种蕴藏量巨大的海洋可再生能源,潮流能的利用可以极大地减缓能源紧张和环境污染。浮式垂直轴潮流能电站由于其能够应用于不同水深和流向的海洋环境且易于维护的优点,目前已被广泛研究。浮式垂直轴叶轮作为潮流能利用的主要设备,其在定常和非定常流中的水动力性能研究受到越来越多的重视,但其在浪流联合环境下的水动力特性还鲜有学者涉猎。事实上,叶轮在流的作用下旋转的同时,还随着与之固连浮式载体在浪流联合作用下发生六自由度运动。因此,本文基于CFD粘性理论,应用ANSYS-CFX软件,采用动网格和滑移网格相结合的技术建立了垂直轴叶轮旋转和摇荡运动的数值模拟方法,针对旋转叶轮摇荡运动(横荡、纵荡、艏摇、横摇和纵摇)下的水动力性能展开研究,并利用最小二乘法对CFD结果数值拟合。研究结果对真实海况下垂直轴叶轮旋转和摇荡运动的水动力性能分析和浮式载体运动响应的研究都具有重要的学术意义和工程价值。首先,将浮式垂直轴叶轮在波浪作用下摇荡运动的复杂模型简化为叶轮在均匀流中叠加简谐摇荡运动,便于数值模型的建立和结果分析;然后计算了单独旋转叶轮及分别有横荡、纵荡、艏摇、横摇或纵摇运动旋转叶轮的水动力载荷和潮流能俘获功率。探讨了在不同速比和摇荡运动参数(频率、幅值)下的叶轮轴向推力、侧向力及功率,得到了摇荡运动及相应参数对叶轮水动力性能和潮流能俘获效率的影响。分析了叶轮在不同摇荡运动中的流场特性和叶片受力,总结出叶轮旋转和摇荡运动对叶轮流场变化的影响规律。其次,通过最小二乘法的数值拟合方法将CFD方法得到的叶轮水动力载荷表示为均匀水动力及分别与摇荡速度和加速度有关的阻尼力和附加质量力的级数表达式并得到相应的级数系数,分析了载荷拟合级数系数随着摇荡运动参数及速比的变化特性。最后针对垂直轴叶轮振荡运动(横荡、纵荡)下的三维效应问题,对不同展弦比的三维垂直轴叶轮振荡运动进行了数值模拟分析。结果表明:随着摇荡频率和摇荡幅值的增加,叶轮推力、侧向力系数包络线波动幅值会随之增大,但是推力和侧向力的平均值不变;垂直轴叶轮在摇荡时的能量利用率与叶轮不摇荡时相差不大,其中艏摇运动会使叶轮效率有所降低,横荡运动会使叶轮效率略许增加;摇荡叶轮尾流场中尾涡会发生周期性波动,波动频率会随着摇荡频率增大而增大,摇荡幅值越大,叶轮尾涡波动幅值也越大,尾涡强度在向下游扩散中逐渐减小;叶轮摇荡运动中尾涡波动会产生类似卡门涡街的尾迹;推力的均匀水动力项基本不受摇荡频率和幅值的影响,但是其随着速比增大而增大;随着展弦比增大,叶轮输出效率逐渐增大,当展弦比大于10时,三维振荡叶轮的效率基本和二维振荡叶轮的效率相同。