本文以Chinnarasri试验数据为背景，通过数值模拟研究斜面阶梯溢流坝的流态、掺气和消能，主要研究内容有：1）首先介绍了本文问题的研究背景，总结了阶梯消能工应用的历史背景、研究动态，列出近年来出现的几种新型阶梯消能工形式，重点总结了阶梯消能工水流流态的分类、定义方法，总结掺气点位置的研究现状和掺气机理的研究结果。给出数值模拟理论基础，给出三的基本控制方程，介绍了数值模拟方法、离散方法和混合物模型的特点以及的使用条件、边界条件类型和网格划分方法。2）本文应用标准k~ε模型进行数值模拟，采用水气两相流混合物模型（Mixture模型）模拟掺气水流，采用四边形非结构网格对模型进行网格划分。壁面采用无滑移壁面边界条件，进口边界分别设水进口和空气进口，压力速度耦合采用PISO离散方法。3）定义了水气界面，对水平阶梯和斜面阶梯流态进行了模拟，得出水平阶梯时，当hc/d=0.29时，为跌落水流；当hc/d增大至0.87时，为过渡流，随着hc/d的继续增大，水流变为滑行水流；对斜面阶梯流态研究得出和水平面阶梯基本相似的流态，即斜面阶梯流态也出现跌落流、过渡流和滑行流三种情况，所不同的是在斜面阶梯跌落流态下，沿坝面流程，依次出现贴壁水舌、跌落水舌和水气漩涡三个阶段，文中分析认为出现这种显现的原因是阶梯斜面对动能和势能转化影响造成的。研究发现，在滑行水流状态下，斜面阶梯倾角对水流流态影响不大。4）对斜面阶梯的掺气特性进行了研究得出：沿坝面方向，阶梯漩涡处水流掺气浓度沿程呈增大趋势，阶梯边角到水流表面之间断面的掺气浓度则沿程变化不大，在最末一阶阶梯上的掺气浓度随着倾角的增大略有减小，从溢流坝上游至下游的流程中，掺气水深逐渐增大；掺气浓度随着来流流量的增大而减小，随斜面阶梯倾角的增大而增大，同时指出，斜面倾角的无限制增大可导致气蚀现象的发生，需进一步研究各坝坡下的最优斜面倾角。5）定义了消能率η的计算方法，对影响η的影响因素进行了理论分析，得出η和来流弗氏数F0，跌落系数FD，临界水深hc和阶梯高度d的比值hc/d，阶梯斜面倾角θ以及阶梯高度和长度的比值d/l有关。模拟研究了FD、hc/d和θ的变化对η的影响，得出η随着FD和hc/d的增大而减小，随着θ增大而增大，并对模拟数据进行拟合，得出FD~η、hc/d~η和θ~η之间经验关系式，以及这些关系式的适用范围。