管道充水瞬变流是水利工程中较为常见的一种现象。在复杂管路系统的快速充水过程中,水气两相的相互作用通常会引发较为剧烈的压力波动,威胁输水系统的安全运行。为实现管道充水瞬变流的准确预测,制定有效的防护措施,本文采用界面追踪法,建立了较为完善的管道充水预测模型,进行了多种布置形式的管道充水瞬变流分析。针对广泛采用的恒定摩擦充水假设,通过引入恒定、准恒定和非恒定摩阻模型,研究了恒定、准恒定和非恒定摩擦系数对水库-阀门-管道系统的充水瞬变流的影响。研究发现由准恒定和非恒定摩阻模型确定的变化的摩擦系数降低了充水流速,增大了阀门出口的节点压力。并且,随着充水水头的减小和开阀时间的延长,由恒定摩阻模型确定的恒定的摩擦系数和由准恒定和非恒定摩阻模型确定的变化的摩擦系数预测的充水瞬变流结果差异增大。为了解决现有具有大气出流边界的分支管道充水模型不能有效预测水柱分离现象的问题,对一般分叉点能量方程引入速度头项,结合水柱分离模型,提出了一种具有大气出流边界的分支管道充水模型。通过对分支管道充水瞬变流分析发现,随着向上倾斜分支管线坡度的增加,水柱分离再弥合水锤减弱,随着向下倾斜分支管线坡度的降低,水柱分离再弥合水锤增强。为了解决现有具有大气出流边界的分开再汇合管道充水模型不能有效预测水气两相相互作用的问题,通过首次引入等质量的气体状态方程,建立了一种具有大气出流边界的分开再汇合管道充水模型。通过对分开再汇合管道充水瞬变流分析发现,随着水库距离和旁通管尺寸的增大,管内不含气时的压力极值降低,随着次干管长度的增加,管内含气时的压力极值增大。基于上述建立的具有大气出流边界的分支管道充水模型和分开再汇合管道充水模型,提高了预测水柱分离现象的计算精度,扩展了管道充水模型的适用范围。针对现有管道充水模型缺乏有效淹没出流边界模块的问题,基于气体孔口出流边界方程,通过引入淹没水深项,提出了一种淹没出流边界的管道充水模型。该模型具体可等效为管内气体压力低于淹没水深的盲端边界模型和管内气体压力高于淹没水深的淹没出流边界模型。通过对淹没出流边界的串联管道充水瞬变流分析发现,随着下游水库淹没水深的增加,气体出流速度降低,系统压力极值增大。该模型填补了带有淹没出流边界的管道充水模型的空白,揭示了实际工程中淹没深度对管道充水瞬变流特性的影响规律。为了解决管道充水过程中求解空气阀模型的牛顿迭代法可能存在虚假数值振荡的问题,通过对空气阀内气体压力的二次判断,形成了求解空气阀模型的改进牛顿迭代法,结合直接求解法,确立了一种更为准确的适用于管道充水过程中的空气阀模型的求解方法。采用所确立的空气阀模型求解方法,有效分析了空气阀种类、口径和流量系数对管道充水过程中发生的水柱分离现象的防护效果的影响。结果表明,具有小口径和小排气流量系数的进气微排阀水锤防护效果最佳。该求解方法提高了在管道充水过程中空气阀模型的计算精度,有效预测了空气阀的水锤防护效果。本文的研究成果为管道充水瞬变流的准确预测提供了理论依据,对保障管路输水系统的安全运行具有重要工程意义。