自由表面旋涡是水工建筑物进水口前常见的水力现象,在水电站引水管道、溢洪道、导流隧洞、泵站和船闸等进水口的上游表面时有发生。自由表面旋涡发展到一定程度将演化为吸气旋涡,给工程建筑物和设备带来严重危害。自由表面旋涡的生成和演化机制复杂,研究自由表面旋涡运动的现象和规律,揭示其流动机理,探求对它们实施控制的有效方法,是大量工程实践提出的迫切需要解决的问题。自由表面旋涡机理的研究还涉及到多项力学的前沿基础理论问题,具有重要的学术价值。本文设计并建造了实验水槽来研究自由表面旋涡的生成和演化过程。采用流场染色技术对自由表面旋涡的演化过程进行显示,观测记录自由表面旋涡的旋转方向、生成位置以及不同演化阶段的形状;根据观测结果对自由表面旋涡的形成原因进行分析,定性分析了科氏力在自由表面旋涡形成和演化过程中的作用;测量了不同工况下的临界淹没深度这一反映自由表面旋涡发展程度的重要参数;考察和分析了来流速度、来流湍流度、来流预旋以及吸水口位置等对自由表面旋涡生成和演化的影响。在实验观测的基础上,采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,简称PIV),对自由表面旋涡演化不同阶段的流场结构进行了测量,通过对测量数据进行分析,得到自由表面旋涡流场随时间演化规律和随空间变化的规律。自由表面旋涡在演化过程中,切向速度在半径方向上随着半径的增大先增大后减小,在变化过程中切向速度存在最大值,并以此对应的半径定义了涡核半径。在涡核半径内外,切向速度的变化是不同的。切向速度最大值随着深度的增加先增大后逐渐减小,最大值不在自由表面处,而在自由表面下某一深度。径向速度随着半径的增大逐渐减小,由于自由表面旋涡是一种向心流动,导致越靠近涡核径向速度越大。径向速度最大值随着深度的增加逐渐减小,在靠近自由表面的地方径向速度大,这表明自由表面旋涡在演化过程中,吸水口吸入的流体大部分来自旋涡上部流体,因此发生自由表面旋涡流动后,容易将表面漂浮物吸入吸水口。在实验研究的基础上,对自由表面旋涡流动进行理论分析,得到了科氏力作用下流动运动的控制方程。以此控制方程为基础,通过简化得到科氏力作用下平面点汇运动的规律,分析了科氏力在旋涡生成和演化过程中的作用,确定科氏力是引起旋涡流动的重要原因之一。以圆桶底部出流装置为模型,通过自编程序,采用有限体积法对控制方程进行离散,对离散后的方程采用SIMPLE算法进行求解,获得了不同工况下圆桶内流体运动规律。数值分析表明,在科氏力作用下圆桶内流体产生了旋涡流动。旋涡流动的切向速度和径向速度在半径方向以及深度方向的变化规律和实验测量结果定性符合,并分析了产生误差的原因。用拉格朗日观点考察了迁移加速度、粘性力以及科氏力在流动中的关系,发现在涡核中心以外,流体微团在运动过程中的加速旋转是由科氏力的作用引起的。并考察了科氏力大小以及流量对旋涡运动的影响。利用自编程序对三维圆筒模型进行计算,研究来流预旋和科氏力共同作用对自由表面旋涡流场的影响。逆时针方向来流预旋条件下,来流预旋和科氏力的双重作用使得圆桶内产生逆时针方向旋涡运动,而且来流旋涡越大,产生的旋转速度也越大。顺时针方向来流预旋条件下,来流预旋的一部分用于抵消科氏力产生的逆时针方向旋转作用,剩余部分产生了顺时针方向旋转运动。同时以商用软件FLUENT为工具,对方形水槽内不同方向来流预旋情况下的流动进行了数值解析,模拟得到的旋涡的方向和位置与实验结果符合。