为解决我国水资源时空分布不均与各地用水需求差异之间的矛盾,近年来各式各样输水工程的建设逐步兴起。无压输水隧洞作为一种重要的输水建筑物,在各类工程中得到广泛应用。输水隧洞的水力特性对于输水能力和输水效率往往有着至关重要的影响,因此一直以来都是研究的重点内容。长距离输水隧洞因洞线跨度大、沿线地质条件复杂,其断面型式往往需要频繁变化,这导致洞内水力特性的变化更加复杂。针对此问题,常规的一维水力学分析方法往往很难得到理想的结果,因此利用三维数值模拟的方法精确分析长距离复杂断面输水隧洞的水力特性便具有重要的工程意义。本文以西北某断面频繁变化超长输水隧洞为研究对象,采用三维高精度流体分析软件Open FOAM中的水气两相流计算模块inter Foam对该隧洞的流场进行了数值模拟,研究了隧洞沿线各水力参数的变化特性并给出了相应的工程优化方案,主要研究内容和研究成果如下:（1）介绍了无压输水隧洞数值模拟的基本理论,包括不可压缩流的基本控制方程、湍流模型的基本理论以及两相流模型的基本理论,选取了适用于无压输水隧洞数值模拟的双方程湍流模型和自由表面捕捉模型,并列举了相关方程的离散格式和求解方法。（2）根据实际工程的喷锚支护、现浇混凝土衬砌和断面频繁变化三个设计方案,本文建立了长距离复杂断面输水隧洞研究区段的三维模型进行数值模拟研究。本文分析了洞内水流的水力参数变化特性,包括水面线、水深、净空率、净空余幅、流速分布、水相气相流速分布、支洞通气量与平均风速、断面流速分布以及断面流线,综合考虑了输水隧洞的结构安全性与工程经济性。研究表明:喷锚支护和现浇混凝土衬砌两个方案虽能满足水力特性方面的要求,但喷锚支护方案无法满足结构安全方面的要求、现浇混凝土衬砌方案无法满足工程经济性方面的要求,断面频繁变化方案虽能满足结构安全和工程经济等方面的要求,但却无法满足水力特性方面的要求,因此,需进一步结合三个方案的优点进行方案优化。（3）为确保输水隧洞满足结构安全和水力特性方面的要求,同时兼顾工程经济性,本文提出了一种工程优化方案并对其水力特性进行了深入研究,重点探究了其水面线、水深、净空率和净空余幅的沿程变化。研究表明:该优化方案各水力参数表现良好,并未出现类似于断面频繁变化方案中净空率和净空余幅不满足规范要求的情况,因此,该优化方案相比于各原方案更加满足实际工程需求。本文通过三维数值模拟的方法研究了西北某断面频繁变化超长输水隧洞各原方案的水力特性,并综合考虑了结构安全性和工程经济性对原方案进行了工程优化,该成果可为日后类似工程的数值模拟提供借鉴,并为此类项目的工程优化提供思路和参考。