在现代，能源已成为人类关注的重要问题，尤其是可再生性能源更为人们所重视。水能资源的利用是其中重要的一种。随着人们环保意识的增强，可再生能源系统的开发将在能源经济和改善环境质量等方面发挥重要作用。但多年来人们忽视了水力发电所带来的环保问题。目前尚缺乏可用的生态环境友善地开发水电的使用技术，因此新型水轮机的开发很有意义。针对传统水轮机对生态环境的影响，本文所研究的环境友善型“上向自由出水式水轮机”系统，在这方面作了一些工作。　　 本文从生态环境友善的角度出发，对上向自由出水式水轮机进行设计，并通过数值模拟研究其内部流场特性及作了外特性初步测试，为新型水轮机的应用和推广提供依据。本文的主要研究工作如下：　　 1.概述了水电技术和传统水轮机类型及构造，对传统水轮机的结构进行了分析。在此基础上，介绍了上向自由出水式水轮机的基本原理及结构特点。根据选定的设计参数，综合考虑传统水轮机的结构和其对生态环境造成的影响，对上向自由出水式水轮机的过流部件及整体结构进行设计；　　 2.利用Pro/E、ICEM分别对上向自由出水式水轮机流道进行三维实体造型和网格划分，并对流场计算的控制方程、湍流模型、数值计算方法和网格划分技术等进行了简要阐述；　　 3.基于FLUENT，应用标准k-ε湍流模型，对设计的水轮机进行定常湍流数值模拟。结合模拟结果对过流部件的速度、压强、湍动能深入分析，预估上向自由出水式水轮机的性能；　　 4.对上向自由出水式水轮机进行外特性试验。根据数值模拟结果对比传统水轮机和上向自由出水式水轮机的内部流场特性，为保障上向自由出水式水轮机的性能提供了依据；　　 5.充分考虑动静部件之间的相互作用，在定常湍流数值模拟的基础上进行非定常湍流数值模拟。应用滑移网格技术，完成水轮机转轮和导叶的动静干扰计算，得到了上向自由出水式水轮机内部流场的周期性分布。在叶片进口处设置监测点，监测到随时间变化的速度和压力脉动；