抽水蓄能电站因其具有调峰调频及吸收多余电能的优势而被广泛建设与应用,但正是它的调节频繁使得水泵水轮机常处于剧烈的过渡过程当中。空化是影响水力机械安全运行的重要因素之一,空化腔不断的生成与溃灭常常导致转轮及导叶等部件严重空蚀,不得不停机进行检修,甚至引发剧烈的反水击现象,造成抬机等事故。因此对于水泵水轮机空化特性的研究具有十分重要的工程价值,并为抬机事故机理分析奠定基础。而对于水泵水轮机过渡过程压力脉动时频特性的研究则更能全面分析抽水蓄能电站各类不稳定现象的根源,并为这些不稳定现象的控制措施提供指导。本文分别采用三维CFD方法和一维三维耦合方法研究了水泵水轮机的空化特性和水泵断电飞逸过渡过程的压力脉动时频特性,并分析了压力脉动频率特性与流态特性相关联,揭示了过渡过程中多种频率的来源分布及影响;最后通过模拟球阀关闭联合水泵水轮机导叶拒动飞逸工况,分析了球阀关闭对其过渡过程外特性及压力脉动特性的影响,为优化球阀关闭规律以控制脉动不稳定性奠定了基础。本文主要工作如下:1.研究了原型水泵水轮机空化特性:为了规避空化特性研究中比尺效应的问题,模拟研究了某原型水泵水轮机在不同空化系数下空化特性。发现水泵水轮机的空化压力脉动幅值随空化系数的降低先增大后减小;揭示了发源于泄水锥下方的空化腔在形态、大小及历时上的随机性是空化压力脉动频域丰富但幅值较小的根本原因;解释了空化压力脉动在整个流道内的传播规律并分析了空化压力脉动的频域特性。2.全面分析了水泵断电飞逸过渡过程中压力脉动特性及流态特性:采用一维三维耦合方法模拟了某模型水泵水轮机水泵断电飞逸过渡过程,全面定量分析了各个位置压力脉动频率特性,研究了流态特性演变规律及其与压力脉动特性的关联。发现了高频低幅,高频高幅,中频中幅,低频高幅这四种典型的频率类型;揭示了各种频率的来源及空间影响范围,发现高频信号是由于转轮旋转引起的,主要影响无叶区,低频是由工况区转换导致的,影响整个流道,中频信号主要影响尾水管区域,其中中低频是由高能量的螺旋涡带引起的,中高频是由能量较小的螺旋涡带及尾水管边壁的片状涡带旋转产生的;分析了整个过渡过程中蜗壳压强,转轮内流线及尾水管涡带的演变规律,定性上解释了在水泵驼峰区及水轮机水轮机反S区流态恶化是导致宏观参数振动及中频频率丰富的根本原因。3.分析了飞逸过渡过程中球阀关闭的影响:采用一维三维耦合方法模拟了某模型水泵水轮机在飞逸过渡过程中两种球阀关闭工况,分析了球阀关闭对过渡过程中宏观参数及压力脉动的影响。发现飞逸过渡过程中球阀先快后慢关闭在解决调保矛盾及降低转轮受力方面要优于线性关闭;分析了无叶区内速度脉动及回流特性,发现无叶区纵向断面中部会形成回流,回流区域个数为转轮叶片数,回流在整个反S区均会存在,宏观流量的变化会影响正向流动和回流区域的分布。本文完成了水泵水轮机空化特性及过渡过程中振动特性的研究,全面定量地揭示了水泵水轮机在过渡过程中的频率特性。研究成果补充了现有对水泵水轮机空化特性及过渡过程中压力脉动时频特性及流态特性认识的不足,所得结论为将来研究水泵水轮机在极端过渡中空化腔溃灭反水击问题及减小机组振动措施奠定了基础。