水轮机是水力发电系统中的核心部件,工作在旋转湍流下会产生非定常压力脉动、空化、泥沙磨损、流激振动等严重影响机组正常运行的问题。研究该类问题具有工程实际意义和理论学术价值。数值模拟已成为当前研究水轮机内部流场及其复杂流动机理的重要工具。本文采用现代计算流体动力学中的先进数值模拟方法,围绕困扰水轮机领域安全高效稳定运行的一些技术难题开展工作,研究内容和取得的成果如下：(1)基于三维瞬态N-S方程,采用大涡模拟(LES)方法中的Smargorinsky-Lilly亚格子应力模型,应用模拟动静干扰效果较好的滑移网格技术,以标准k-ε湍流模型稳态计算的结果作为初始条件,对某原型混流式水轮机全流道进行了三维瞬态湍流数值模拟。采用非结构化的混合网格和压力速度耦合的PISO算法,成功地模拟了水轮机在运行中的各种瞬态细节过程,如涡旋的卷起、增长、合并、破碎和脱落。模拟结果给出了偏工况下水轮机导水机构和转轮流道内大尺度涡结构的瞬态发展演变过程。计算结果表明大涡模拟方法能较好地模拟水轮机内水流的瞬态流动特性和瞬时涡的发展演化过程,该方法可为探索研究水力机械复杂流道湍流运动状态下涡旋的形成机理提供有价值的参考。(2)基于不可压缩流体瞬态N-S方程对混流式水轮机内部三维非定常流进行精细模拟分析,以标准k-ε湍流模型对水轮机进行全流道定常计算的结果作为初始流场,应用较新的分离涡模拟(DES)和滑移网格技术进行了水轮机考虑两级动静干扰的非定常湍流数值模拟,得到了偏工况下活动导叶出口及转轮叶道内涡量场及速度场分布特性。模拟了大尺度涡旋结构的卷起、发展等瞬态演化过程,结果表明DES方法可以更加全面真实地模拟水轮机内部的流动情况,捕捉到水力机械中复杂流道内的三维动态涡结构。该研究对于探讨影响水力发电机组出力摆动的水轮机涡激振动的内在机理、确保机组的安全稳定运行具有重要意义。(3)基于欧拉-欧拉方法中均匀多相流假设的混合两相流体无滑移模型,加入考虑气穴影响的Schnerr and Sauer空化模型,采用标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的SIMPLEC算法,转动区域应用多重参考系模型(MRF),对某原型混流式水轮机全流道进行了三维定常空化湍流数值模拟。获得了该水轮机在偏工况下转轮叶道和尾水管内空泡相的主要流动特征,分析了水轮机流道内空化发生的部位与程度。计算结果表明与单相流体模型相比该方法能有效地预测水轮机内的三维空化湍流场,可以较好地模拟水轮机内真实的有空化发生的多相流动情况,对揭示水力机械内部包含气穴影响的气液两相流场的内在特性、优化水轮机的水力设计和改善水轮机的空化性能具有重要参考价值。(4)基于欧拉-欧拉方法中的代数滑移混合多相流模型,采用标准k-ε湍流模型和多重参考系模型(MRF),对某原型混流式水轮机全流道进行了三维定常泥沙磨损湍流数值模拟。获得了该水轮机在偏工况下转轮叶道和尾水管内泥沙颗粒相的体积分数分布,分析了水轮机流道内泥沙磨损的特征规律。计算结果表明该方法能有效地预测水轮机内的三维泥沙磨损固液两相湍流场,可以较好地模拟水轮机内真实的有泥沙磨损发生的多相流动情况,对揭示水力机械内部包含泥沙颗粒影响的固液两相流场的内在特性、提高水轮机的运行效率和改善水轮机的磨蚀性能具有重要参考价值。(5)基于任意拉格朗日欧拉框架下的二维时均瞬态N-S方程,应用非结构动网格技术,对某型号混流式水轮机单个活动导叶在槽道内模拟导水机构在一段直线关闭规律和两段折线关闭规律下的关闭过程,进行了动态湍流数值模拟。采用非结构化三角形网格,标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的PISO算法,真实地模拟了导水机构关闭的动态过程中活动导叶流道内的压力场、速度场和湍流特性的瞬态变化过程。数值计算结果表明,在两种导叶关闭规律过程中,随着活动导叶开度的减小,流场发展呈现明显的非定常特性,水流绕过活动导叶后出现强的旋涡,会对水轮机过渡过程的动态特性产生影响。该方法能有效地模拟由于活动导叶动作诱发的流场脉动。(6)基于三维非定常不可压缩粘性流体N-S方程,用浸入边界法(IBM)处理活动导叶运动产生的动边界,大涡模拟(LES)的亚格子应力(SGS)使用动态Smagoringsky-Lilly模型,对槽道内某混流式水轮机单个活动导叶翼型、双列线性动静叶栅及导水机构双列非线性环列叶栅动态绕流场进行了瞬态湍流精细数值模拟。计算很好地捕捉了活动导叶关闭动作典型时刻压力和分离尾迹涡拓扑结构随时间的变化规律。结果表明,活动导叶的调节运动动态绕流将产生大量而复杂的瞬态流动结构,其向上在管道系统中诱发水击波动,向下影响转轮叶道中的暂态特性。本文提出的基于Smagoringsky-Lilly动态SGS模型的LES-IBM方法可有效地模拟高雷诺数下活动导叶关闭运动与叶道湍流之间的相互作用过程,揭示水轮机调节过程中活动导叶动态绕流尾迹结构产生的机制及其向下游方向的演化特性。