在全球变暖和环境污染的严峻考验下,探索和发展清洁能源已经成为全人类的共识,而水电作为一种传统清洁能源更是具有成本低、效率高、无污染、可再生等优势。现如今,随着高水头和超高水头水轮机的进一步研究和开发,水电机组的运行稳定性问题愈发受到重视。对于能直接引起尾水管低频压力脉动的尾水管涡带,其产生和发展机理、影响因素和控制手段得到了大量学者的广泛关注和研究。本文基于混流式水轮机,采用模型试验为基础、数值模拟作延伸的研究方法,选取部分负荷和满负荷两个典型工况进行数值计算,并结合模型试验详细探究了尾水管空化涡带的产生和发展机理,空化系数和旋拧数对空化涡带形态、内流场、稳定性和熵产损失的影响,以及对泄水锥的打孔和开槽处理对于尾水管内压力脉动的影响,为实际工程应用混流式水轮机的设计提供了借鉴和指导,为后续关于空化涡带的研究打下基础。本文主要研究内容如下:(1)基于模型实验结果,对尾水管内流态影像和尾水管内压力传感器压力数据进行处理和分析,对模型试验各工况下尾水管内流态和空化涡带进行分析,对压力数据进行傅里叶变化得到压力脉动频域信号,结合原始数据进行时频分析,其结果表明流量和转轮转速对于尾水管内空化涡带形态具有协同作用,对泄水锥进行打孔和开槽处理对于螺旋形空化涡带起始部位形态和压力脉动有一定影响。(2)基于旋转涡区典型工况,选取4种泄水锥进行4组非定常计算,探究打孔和开槽处理对于尾水管内压力脉动的影响,并通过内流场分析引起压力脉动变化的内在机理。结果表明对泄水锥进行打孔处理对尾水管压力脉动频率无影响,但会提高对应压力脉动幅值,而开槽处理则会相应降低压力脉动幅值。(3)基于柱涡区典型工况,选取短直段泄水锥进行单相和多相计算,从外特性、涡带形态和内流场等方面对比分析单多相计算的异同。对多相计算结果进一步分析,揭示了空化涡带产生和发展机理,而对尾水管内不同位置处的稳定性分析则说明控制空化涡带形态需要持续的强迫性扰动。(4)基于旋转涡区工况和柱涡区工况,改变空化系数和旋拧数共进行多相计算,从空化涡带形态、内流场和熵产损失等方面探究空化系数和旋拧数的影响,其结果表明空化系数和旋拧数对于空化涡带的形态、尾水管内熵产损失分布和总熵产均有较大影响。