无压隧洞是输水明渠中的一种常用形式,与上游渠道通常通过收缩过渡段连接。隧洞及进口过渡段内水动力性能对工程输水能力有关键影响,而输水能力是保障输水工程效益的基础。因此本论文以输水能力为导向,对无压隧洞及进口过渡段的水动力性能展开研究,并以此指导工程优化。对于无压隧洞均匀流,提出以一种改进的雷诺应力模型模拟。该模型根据水面附近紊动能在各方向分配比例,在雷诺应力输移方程的水面反射项中引入与充满度有关的折减系数,并修正了水面边界条件中紊动能耗散率表达式中的参数值。与具有不同尺寸及壁面粗糙度的圆形明渠均匀流试验结果对比表明,该模型可很好地模拟出断面内二次流导致的最大流速位于水面以下的现象,尤其在高充满度条件下,与原雷诺应力模型相比能对水面附近流速分布给出更准确的结果。对马蹄形隧洞均匀流,通过试验测量,结合改进的雷诺应力模型模拟,研究了不同充满度条件下,断面内由紊动各向异性驱动的二次流的形态特征,及其对纵向流速、紊动强度和底部切应力分布的影响。当充满度不小于50%时,纵向最大流速位于水面以下,纵、横向紊动强度在远离渠底区随垂向位置上升先减小再增加;当充满度小于50%时,纵向最大流速位于水面,纵向紊动强度在远离渠底区随垂向位置增加一直减小。充满度越大,纵向最大流速位置越低,纵、横向紊动强度最小值的位置也越低。纵、横向紊动强度的垂向分布可通过二次多项式表达。渠底切应力呈非均匀分布,在边角处有最大值。研究结果对隧洞输水能力的确定及壁面冲刷防护提供了理论依据。通过试验和VOF数值模拟,研究了隧洞进口过渡段剧烈收缩和均缓收缩时,进口过渡段内纵、横向紊动强度沿程变化规律,并用涡的拉伸机制和线性扭曲理论计算分析收缩段内纵向紊动强度沿程减小的现象。揭示了沿程二次流形态特征及其对纵向流速分布,尤其是对纵向最大流速位置的影响。通过比较过渡段剧烈收缩和均缓收缩对隧洞进口附近水面变化规律、局部水头损失规律和隧洞内纵向流速、紊动强度分布影响的异同,指出过渡段应采取均缓收缩的形式。将研究结果应用至克拉玛依引水工程实例。该工程因隧洞进口过渡段剧烈收缩,导致隧洞进口超高不足,限制了整个工程输水能力。将过渡段延长至均缓收缩后,过渡段内水面平稳,隧洞进口超高增加,隧洞内水面波动减弱。改进后工程可在设计工况下安全运行,输水能力提高了14%。