河流能作为一种清洁的可再生能源,它具有分布广泛、储量丰富、可预测和无污染等诸多优点。河流能利用的传统方式是建设水力发电枢纽,即利用地势落差拦河筑坝,将河水高位势能转换为高速水流冲击水轮发电机组发电。然而,在地势平缓的广大平原或河道宽阔而不易筑坝的地带,直接利用河流动能发电成为一种替代方式。河流动能发电装置的核心装备是零水头或极低水头水力发电机组,已成为近些年来研究的热点领域。现有的水流能量转换装置主要有转轮式和振荡(摆动)式两类,关于转轮式水轮机的关键技术及其水动力性能研究已经开展了大量的工作,取得了丰富成果。但是,应用于水深较浅、流速较低的河道时,转轮式水轮机存在结构上难以实现单机大型化的困难,而适应单向河流特性且结构相对简单的摆式装置可拓展优势明显。摆式能量转换装置基于水流与机翼相互作用的升力或涡激振荡原理而摇摆获能或推进。对于河流发电,摆式能量转换装置的能量特性、设计参数规律等水动力学问题的认识以及研究还很不充分,需要在能量转换机理、装置构型设计及其水动力性能与载荷等方面开展系统深入的研究。为此,本文以河流动能转化和装置水动力学设计问题为背景,探索研究一种适合于河流动能转换的新型摆式河流能量转换装置,采用理论分析、数值模拟和原型机试验相结合的方法,从概念论述、样机设计、水动力特性与载荷等方面开展研究,为实际应用奠定技术基础和设计方法,具有重要的意义。论文首先介绍河流动能的特点、资源分布,分别从装置开发、关键技术、理论和试验研究等方面回顾和归纳转轮式和摆式河流能量转换装置的研究进展与现状,在此基础上提出主要研究方向、关键问题和解决途径。针对河流动能转换和发电装置原理样机设计,从河道水深较浅及河水单向流动的特点出发,提出一种新型河流动能发电装置—摆式河流动能发电装置。通过对发电系统原理性样机和结构设计研究,给出该新型装置的总体方案和系统布局。该装置以对称翼型直叶片作为水流获能部件,将一组或多组竖直叶片安装在横跨河道的直线滑道上,直线滑道两端分别固定在河道两岸基座上;在河水的作用下获能叶片组(摆体)沿滑道作直线往复运动,将水流动能转换为摆体直线运动机械能,再驱动直线(或旋转)发电机发电。该装置的主要特点是:能够基于河道的宽度实施横跨河道的整机单元设计,尽可能实现单机组容量最大化;装置的结构简单、布置紧凑,发电系统以及机械传动系统安装在水面以上,降低水下密封难度;并且易于实现河流动能发电和桥梁建设一体化设计,提高综合经济效益。针对该装置河流动能转换的水动力数值模拟方法,基于粘性CFD理论和软件,建立适合于摆式河流能量转换装置的水动力数值模拟方法。探讨了定常、非定常流场的边·界设置、网格划分、流域分块技术和湍流模型等因素对数值结果的影响。通过CFD数值模拟,研究水流作用下往复运动过程中获能装置的流场和水动力,给出对称翼型直叶片摆体能量转换的功率特性、水动力载荷特性,揭示能量转换和水动力随着叶片的翼型、叶片的横向和纵向布置间距、叶片的数量和密实度、叶片安装角和运动速比等参数变化的规律和典型特征,为摆式河流能量转换装置的水动力学特征参数设计和叶片布局设计及其选型提供了理论依据。针对摆式河流能量转换装置叶片往复摆动换向的工作特点,基于上述粘性CFD数值方法,详细研究摆式河流能量转换装置叶片在水流作用下被动换向过程中的流场特性和换向作用力,分析摆式河流能量转换装置两端设置不同形状换向体(正弦型、矩形)及其空间布局(上游、中游、下游)对叶片的瞬时流场干扰和换向作用效果,提出可供选择的换向体的形状、布局方案和叶片摆轴的位置。针对摆式河流能量转换装置的原理性实验研究和CFD模拟方法验证,设计研制摆式河流动能发电装置原型机及其水动力特性测试系统,确定原型机性能以及载荷的测试方法。根据不同设计参数和运行工况开展发电系统的性能试验研究和流动现象观察,以NACA0018叶片为摆体,进行原型机的定常运动和换向试验、小角度情况下改变叶片偏角的固定负载试验、大角度情况下改变叶片偏角的固定负载试验、以及固定叶片偏角改变负载的试验等研究;将试验结果与数值模拟得出的规律进行对比分析。同时,通过试验研究验证摆式河流动能发电装置设计方案及其数值模拟方法的有效性。通过试验观测,指出原型机改进的方向。此外,本文提出了一种改进型摆式装置——矩形水轮机,简要的阐述了矩形水轮机的原理性结构形式、工作原理、叶片的运动和动力特性,通过CFD数值模拟的方法研究和分析密实度、叶片安装偏角、流速等特征参数对其性能的影响;设计研制了模型试验装置,开展矩形水轮机水动力模型实验,给出了试验结果。研究表明,若采用柔性材质叶片方案,该型装置既能够应用于单向河流也能够应用于双向潮流的自然环境。