自由跌水是几何结构较为简单但是流态非常复杂的现象,其为带自由表面的水气两相流。这种流动问题一直是研究的热点。本文首先简单介绍跌水的构造,在了解跌水研究背景的基础上,回顾了国内外在公式、试验和数值模拟方面的研究现状。再利用亚克力板制作不同尺寸的水槽,组成本次试验的模型。进行模型试验时,在不同的跌坎高度下,进行囊括多种不同流量的多组试验,以确保试验的全面性、合理性。并且现在水力学公式多为经验公式,本文在总结前人利用公式来计算跌水长度的研究成果基础上进行公式推导,提出一种快速、便捷地计算跌水长度的公式,并对其进行验证。最后本文就跌水消能问题利用FLUENT软件进行三维数值模拟,并在此基础上开展一系列的研究。(1)按照抛体运动进行自由跌水长度公式的推导。即跌水长度,其中A为经验系数,取值1.5~1.6;K为空气阻力系数,取K(28)1;a为动能校正系数,取a(28)1;q为单宽流量;H为跌坎高度。(2)采用VOF方法来处理水和气体的交界面以及利用其与k(25)e双方程模型相结合的方式来进行自由的跌水的三维数值模拟能够得到非常好的效果,与实际情况较吻合。(3)通过分析模拟结果中流态分布、渠道上下游压力分布、流速分布以及流线分布来判断采用此种数值模拟方法是非常可靠的。(4)将公式计算所得的跌水长度、模型试验所得结果与数值模拟结果三者进行对比分析。由对比结果可知,公式计算结果与模型试验结果非常接近,数值模拟结果与模型试验研究的误差值分别为17.6%、22.4%、14.6%。根据前人在数值模拟方面的经验以及实际试验条件,此误差值在可以接受的范围内。所以该公式可以运用于实际工程。(5)为使底板以及两岸减小冲刷,在下游设置一定高度的消力墙以提高消能率。本文在下游适当位置设置不同高度的消力墙,结合数值模拟与试验结果中的临底流速与动水压力来选出最优的消力墙高度。就本文的模型而言,选择3cm高的消力墙时,综合跌坎后底板与消力墙后底板的临底流速值以及最大动水压力值为综合考虑最优情况,为今后实际工程的运用提供一定的设计依据。