随着混流式水轮机的单机容量和结构尺寸朝着巨型化发展,其在稳定运行性方面出现的问题越来越突出。混流式水轮机在偏离设计工况特别是在部分负荷下运行时,转轮出口的旋流会在尾水管中产生螺旋状涡带,该涡带引起的压力脉动是引起水轮机水力不稳定的最主要原因。到目前为止评价水轮机水力稳定性的主要手段仍是进行模型压力脉动试验,在设计阶段还不能有效预测控制所设计水轮机的尾水管涡带引起的压力脉动。如何在设计阶段能有效控制所设计水轮机的尾水管涡带引起的压力脉动,变事后评估为设计过程中控制是提高水轮机的水力稳定性的有效途径。因此有必要借助数值模拟方法,研究混流式水轮机尾水管流道的几何参数、运行工况与尾水管涡带产生的关系,探索其尾水管涡带压力脉动的预测计算方法,进一步研究用于在混流式水轮机设计过程中优化流道设计,及指导电站运行过程中减轻尾水管涡带影响和扩大稳定运行工况范围。本文结合某高水头水电站混流式水轮机转轮增容改造过程中的转轮设计方案分析的需求,在分析前人关于混流式水轮机的流场、尾水管涡带以及尾水管涡带引起的压力脉动的机理研究的基础上,采用水轮机全流道非定常湍流数值模拟方法模拟典型工况下混流式水轮机内部流场。基于三维全流道非定常湍流模拟来探索尾水管涡带的可视化、预测尾水管涡带的频率及尾水管涡带引起的低频压力脉动的预测分析。探讨尾水管压力脉动中转轮流出的旋回水流与尾水管的相互干涉作用,以及尾水管涡带形成与转轮叶片几何形状及运行工况的关系。根据尾水管中非定常湍流模拟计算结果提取压力的时域信号,通过FFT进行频域分析来分析尾水管中的典型工况下压力脉动特点。本文探索通过基于混流式水轮机进行全流道定常和非定常湍流数值模拟来预测分析尾水管涡带及其引起的压力脉动,能够较真实地反映不同工况下尾水管涡带及其引起的压力脉动的特征,为在水力设计阶段能有效预测所设计水轮机的尾水管涡带引起的压力脉动奠定一定理论基础和尽可能扩大无涡区的运行范围提供一条基本可行的技术途径。同时可在设计过程中根据较宽范围运行工况下分析尾水管流场和压力脉动,以优化流道设计,及进一步研究采用该方法在设计过程中如何用于预测其尾水管水压脉动来评估水力稳定性。