传统的能源结构不仅在储量上日益减少而且带来了不可忽视的环境破坏,发展新能源是人类社会文明发展的重要保证,而潮流能作为一种储量巨大且稳定的能源,具有重要研究价值。将潮流能转化为机械旋转动能的水轮机就受到国内外专家学者的研究。水轮机的各个类型中,漂浮式垂直轴水轮机有巨大优势,体现在来流方向可任意,且载体结构施工维修简单。目前潮流能水轮机的性能研究中,主要工况是简化为均匀来流无限水深下的探究。但在实际水轮机工作环境下,涉及到自由液面浸没深度的施工选择和波浪对水轮机的性能影响,且之前的研究都采用二维代替三维的方法,忽略了叶片端部梢涡的情况。因此本文采用三维水轮机实验尺寸进行研究,且加入自由液面的影响,最后还进行水轮机在波浪下的性能探究。首先,为了分析自由液面是否能影响到水轮机的性能,本文建立了三维叶片在无限水深、自由液面、规则波下三种工况下的均匀来流中周期性旋转模型,使用了滑移网格的模型模拟叶片在旋转中的受力情况,分析了自由液面对水轮机受力及功率的影响;其次,在静水波的情况下分析了不同浸没深度对水轮机受力及功率的影响;最后进行造波,研究水轮机在一阶规则波下的运动受力和功率情况,分析波浪的周期和波幅对水轮机性能的影响规律。CFD模拟的数值表明:自由液面的存在会在低速比下增加水轮机的功率,高速比会降低水轮机的功率;波浪的存在会降低水轮机的功率,对水轮机的平均受力没有影响,但会增大水轮机的受力波动幅值。波浪波幅的增大会降低水轮机的效率。波浪周期的增大也会降低水轮机的效率。结论的总结表明本文的研究成果对漂浮式垂直轴水轮机在真实潮流环境下的设计和施工具有重要指导意义,为垂直轴水轮机的理论研究进一步奠定了基础。