泄洪洞通风补气问题是工程界一直以来都十分关注的问题，尤其对于我国高坝工程中的高水头长泄洪洞，通风洞内的风速超过规范的现象屡见不鲜。以往采用的经验公式预测的泄洪洞需气量偏低是造成通风洞尺寸设计不合理，进而导致洞内风速过大的主要原因。为此，本文分别从一维模型模拟和三维数值模拟两个方面对高水头长泄洪洞中的水气二相流模拟展开研究，实现了更精确的泄洪洞需气量预测模拟方法。此外，基于所述泄洪洞水气二相流模拟方法，系统分析了高水头长泄洪洞通风补气特性，提出了通风补气结构优化设计方法，填补了国内外在该研究领域的空白。主要的工作内容和成果如下：
　　(1)针对高水头长泄洪洞的多补气洞供气过程，推导并验证了泄洪洞多补气洞供气的水-气分层流一维模型。在该模型中，水流和气流的控制方程通过水-气拖曳力模型进行耦合，模型参数通过锦屏一级泄洪洞原型观测结果反馈分析，由糯扎渡泄洪洞原型观测数据验以及三维数值模拟结果进行验证。结果表明，本文的一维模型在需气量预测上比以往的经验公式精度更高，而在计算速度上比CFD三维数值模拟更快，具有较强的实用性。
　　(2)系统验证了三维数值模拟结果的可靠性，在对比不同拖曳力模型计算结果的基础上提出了混合拖曳力模型，有效地提高了泄洪洞通风补气系统三维数值模拟的精度。一维模型只能计算断面平均的风速和气压，具有一定的局限性。为进一步分析泄洪洞通风系统中的复杂三维流场，本文首先详细讨论了Euler-Euler多相流模型的控制方程以及方程中的相间相互作用项。然后以锦屏一级泄洪洞为例，从网格无关性、时间独立性、泄洪流态、风速和通风量等多个角度分析了数值模拟结果。初步计算结果表明，不同的拖曳力模型对于通风量的预测结果影响很大。本文通过不同闸门开度工况下水流特性的变化解释了不同拖曳力模型适用于不同工况的原因，并最终提出了改进的混合拖曳力模型。计算结果表明，混合拖曳力模型能够将总通风量的预测误差控制在20%以内。基于混合拖曳力模型的结果，分析了泄洪洞的风速矢量场，揭示了不同工况下泄洪洞内风场的不同流动特性，阐明了泄洪洞水流拖气能力与洞顶余幅需气量的平衡关系，总结了泄洪洞内风场的两种流动模式，解释了泄洪洞需气量变化的机理。
　　(3)系统分析了泄洪洞通风系统结构布置因素对通风补气特性的影响，阐明了泄洪洞洞顶余幅空间需气量与补气洞补气能力的平衡关系，提出了补气洞与洞顶余幅联合优化设计方法。首先，分析了锦屏一级泄洪洞原始结构的泄洪流场，包括水流流速、气流流速、气压和水面线等；其次，针对锦屏一级泄洪洞的补气洞风速超过规范的问题，提出了泄洪洞多洞供气系统优化设计方法，优化设计结果显示，若将锦屏一级泄洪洞的1#补气洞直径扩大至8.38m，并维持2#补气洞结构不变，则即使没有3#补气洞，亦能在保证其他流场变量满足要求的前提下使补气洞内的风速满足规范要求；最后，基于泄洪洞截面高度、补气洞截面面积、位置和数量等结构布置因素对通风特性的影响分析，提出了补气洞与洞顶余幅联合优化设计方法。