立轴旋涡在水电站引水管道、导流隧洞、溢洪道、水泵站等进水口前时有发生。它的存在将恶化进口流态,降低过流能力,减少发电量,甚至造成水工建筑物的振动和空化破坏。研究立轴旋涡的水力特性,是认识和消除立轴旋涡的基础。然而迄今为止,针对具体工程的试验研究以及消涡措施较多,理论研究较为欠缺,数值模拟的研究还处于起步阶段,研究成果难以满足工程设计的需要,因此,迫切需要研究立轴旋涡水流现象。本文从理论、试验和数模三个方面,对立轴旋涡多圈螺旋流和漏斗形自由水面等重要水力特性进行了探讨。主要的研究内容和成果有:1、引入可分离变量法的思想,认为立轴旋涡的水力特性既是径向的函数,又是轴向的函数,克服了过去难以反映出轴向上变化的缺陷;并将方程化为数学上可解的一阶拟线性偏微分方程,特征线法的引入,又转化为常微分方程组联解,推导出了速度的解析解以及水面线方程。以本文解析解为基础,采用拉格朗日法计算描述出试验中观测到的立轴旋涡多圈螺旋流。2、立轴旋涡属强非线性的水、气两相流问题,数值模拟的难度大,缺乏可供参考的成功算例。本文对结合VOF法的RNG和标准k -ε紊流模型进行了比选;通过流场紊动能、紊动耗散率和紊动粘性系数的模拟,分析了它们对立轴旋涡生成、发展的影响;结果表明:要模拟立轴旋涡运动这种高应变率、流线弯曲程度较高的水流现象,RNG较标准k -ε模型更为