高转速、大容量混流式水轮机在负荷发生变化时产生的空化涡带、水锤现象是影响水轮机稳定性的重要因素。探寻涡带的能量特性、空化特性、脉动特性和水轮机的飞逸特性,有助于我们更好的控制水轮机的振动,减少空化,提高整机运行效率和可靠性。因此,本文通过基于滑移网格的两相流数值分析、基于静态效率因子的内特性数值法、并结合模型机的真机试验对涡带的形成机理与影响因素展开了全面分析。本文的主要研究工作如下:(1)本章分别对模型机进行数值模拟和真机试验,选取不同开度和转速来分析、测量获取水轮机运行效率,各采集了 263个样本点,进而绘制整个水轮机的能量特性曲线。并对两个性能曲线上分布的其他点进行抽样对比,通过改进网格质量和算法来减小误差率,以求寻找一个可靠的数值分析方法,让数值计算的结果更具参考性,进而部分替代试验。通过数值模拟建立的性能曲线,均方误差范围在4.13%以内。(2)采用两相流的模拟方法和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对水轮机全流道空化进行了分析,并通过设立压力脉动监控点,分析和测量了水轮机各空化系数下的振动特性、涡带形状、振动幅值和频率特征。并采用非定常模拟,对涡带的演变发展过程进行了分析。(3)通过保持空化系数不变,改变开度(流量)和转速之一,系统归纳了涡带在各种工况下的脉动特性,并试着给出了尾水管涡带及其引起的压力脉动形成的机理和特性:再回流状态的突变及相应能量和运动再平衡的过程和结果。为在设计阶段通过水轮机运行工况结合转轮出口流态来预测尾水管可能产生的空化涡带提供了参考。(4)采用奇异值分解方法对原型水轮机振动信号进行分离,确保了脉动特性试验的准确性,同时也被用来测量分析水轮机叶轮区域是否出现空化,提早检测到了空化,提高了初生空化系数测量的准确性。(5)提出的基于静态效率因子联合求解的水轮机甩负荷安全评估方法,是将静态效率单独提取出来的数值迭代计算方法,这一方法将静态效率因子与内特性法结合起来,可以显著减小模型容量,降低系统内耗。计算得到的转速升高值与飞逸试验测得的值进行了对比,验证了计算模型的准确性。