随着各类水利工程的大量建设,管线和桩柱等结构物被布置于河流、海洋、湖泊等水体之中。当结构物附近由于流场的强烈变化而发生局部冲刷时,会对结构的稳定性造成巨大影响,有危害结构物安全的可能。而结构物附近的流场具有明显的三维湍流结构,其计算对数值方法有较高的要求。相对于其他方法,大涡数值模拟兼具可以准确的模拟湍流结构和节约计算资源的优点。本文以大涡数值模拟为基础建立了三维水流泥沙和床面变形数学模型,并对沙质床面上管线局部冲刷和桩柱局部冲刷这两个经典局部冲刷问题进行了模拟,主要工作与成果如下:采用Smagrinsky亚格子湍流模型,以Exner床面方程为基础建立床面变形模型,以浸入边界法处理复杂边界与动边界问题,建立了只考虑推移质输沙的适用于结构化网格的三维水流泥沙数学模型。其中,在床面变形模型的滑坡模块中,提出了新的处理泥沙滑坡的手段,使滑坡处理后的床面更加接近真实形态。为验证模型的可信性,对波状刚性床面剪切力进行了验证,结果吻合良好。将模型应用于雷诺数为2900的管线局部冲刷数值模拟,最大冲刷深度模拟结果与试验结果相比较为合理。并确定了在三维水流泥沙数值模拟中MeyerPeter推移质输沙公式可以更准确地计算最大冲刷深度。模型对于管线绕流的流场形态描述准确,管线下游有明显的尾涡并存在涡街。在此基础上,通过对于管线局部冲刷发展过程中不同时刻的床面形态、希尔兹数和流场的综合分析,将管线冲刷分为三个阶段:冲刷前期、冲刷中后期和冲刷平衡期,并对每个阶段的特征进行了总结。将模型应用于雷诺数为1500的桩柱局部冲刷数值模拟,利用经典经验公式对最大冲刷深度进行了验证,并将模拟所得床面形态与前人试验结果进行了对比,证明了模拟结果的合理性。最后通过对流场、推移质输沙率和床面形态的综合分析,解释了桩柱局部冲刷的形成和发展机理。其中,对于马蹄涡和尾涡的正确模拟是得到合理的冲刷过程和冲刷坑形态的关键。