本文针对水力发电机组在运行过程中影响水轮机运行稳定性的水压脉动和复杂涡流问题,通过大量的理论分析和数值模拟,对补气抑制水轮机低负荷工况下尾水管中水压脉动与涡流特性进行了深入的研究。为了改善数值计算的精度,开展了多相湍流的模拟方法研究。针对补气后流场内存在液/气/汽三组分和多种相间界面的特点,采用了基于Level-set方法的多相空化模型和基于局部流场修正湍流模型,构建了一套改善的通气空化模拟方法。进行了绕NACA0015水翼通气空化的水洞试验,并采用构建的模拟方法开展了对应的流动模拟。通过实验数据与计算结果的比较,验证了本文所提出的计算方法比已有的方法具有更好的计算精度。采用本文构建的模拟方法,对低负荷工况水轮机全流道流动及压力脉动特征进行了计算分析。结果表明,随着空化数的降低,涡带由单一液相涡带转变为多相空化涡带;除了涡带运动所诱发的压力脉动之外,涡带的空泡体积波动诱发了新的压力脉动成分。通入空气可以有效抑制尾水涡带所诱发的压力脉动:在较小的补气量下,通过主轴中心孔补气能够部分抑制由涡带扰动诱发的压力脉动;当补气量较大时,尾水管内的流动特性发生本质变化,所有压力脉动成分均被抑制。进一步对补气前后尾水管内流场的流动特点进行了深入探讨。基于涡的输运方程分析可知,涡量的变化主要发生在涡带表面,且涡的变化率主要由涡的拉伸、膨胀和斜压扭矩项组成,且每一项都存在一正一负两种相反作用,从而导致了涡带偏心旋转。补气能够改变涡量变化率的分布,随补气流量的增加涡带由螺旋状转变为柱状。补气改变流场压力和压力梯度分布,进而影响尾水管涡带的演化与涡的脱落形式。此外,补气改变了转轮上冠到下环的比能值分布,并最终导致部分负荷流动状态的比能分布转变为类似全负荷工况的超临界状态,流动趋于稳定。最后,对不同部位补气以及抑涡槽对压力脉动的影响进行了对比。结果表明在相同补气量工况下,顶盖补气在脉动抑制和效率优化上略优于中心孔补气。基于本文对旋涡流动和压力脉动关系的认识,提出了一种带有抑涡槽的泄水锥结构,数值模拟的结果表明合理设计的抑涡槽结构能够有效降低部分负荷工况下旋涡强度从而抑制压力脉动,而对设计工况和高负荷工况的流动稳定性不产生明显的影响。