我国河流众多,水能资源丰富。过去几十年间,伴随着经济和社会的高速发展,我国兴建了一大批坝高和装机容量均居世界前列的大型水电工程。泄洪消能问题是这些高坝工程安全稳定运行的关键问题之一,而高速掺气水流问题又是高坝泄洪消能问题的难点所在。在水利水电工程中,流动多由重力驱动,其中高速水流的掺气多由分层水气流动在湍流发展到一定程度后转变而来。因此,对于高速掺气水流的研究重点在于分层水气流动的湍流以及掺气水流。目前,传统的试验水力学方法在高速水气两相流中遇到了比尺效应、测量设备等多方面的困难。同时,计算机的计算能力和计算流体力学在过去的几十年中快速发展,使数值模拟成为了研究高速水流问题的经济可行且越发不可替代的方法。本文在充分调研国内外研究现状的基础上,对水气两相流的微观作用机理、模拟理论进行了深入的总结,进而对分层水气湍流和掺气水流的模拟方法进行了探究。首先,本文分析了混合框架下分层流动的模拟中混合相密度在湍流输运过程中的重要作用。研究发现,在不引入混合密度的情况下,整个流动区域的湍动能、湍动耗散率以及湍流粘度会被明显地高估。引入混合相密度之后的模型可以较好的计算开放系统分层水气流动中空气侧的流速分布和超空气层的厚度。同时,改进的求解器还可以准确计算封闭系统分层水气管流中水气两相的流速和湍动能分布。然而,界面处波浪的影响难以在混合框架中被准确反映,表现为其仍然略微高估了界面处和空气内湍动能,并进而得到了比试验值更低的空气侧底部速度梯度,这种高估并没有在进一步加密网格后得到显著改善。此外,本文还将引入密度后的混和框架求解器与带有界面湍流抑制项的双流体求解器对于分层水气流动的模拟结果进行了对比,发现与双流体求解器相比,改进后的混合求解器有着明显的优势,包括清晰的物理参数基础、数值计算上的稳健性以及更高的计算效率,同时它还不需要对任何经验参数进行调校。其次,本文对双流体框架下各相湍流模型中的湍流输运方程进行了剖析,发现在该框架下,混合相密度对湍流输运的影响在方程中被间接体现为体积分数梯度的影响,这就导致在轻相的湍流输运方程中,混和相密度相关的项的符号被改变,并导致在水气分层流动中空气侧的湍动能被过高估计。在此基础上,本文提出了基于密度的双流体框架下的界面湍流修正模型,随后将此模型与传统的唯象湍流抑制模型一起进行了测试。结果表明基于混和相密度的界面湍流抑制模型对于所测试的三个算例均效果良好,在原始模型中被过高估计的湍流大部分被修正。本文同时发现对于轻相的湍流抑制要比较重的相重要的多,这也进一步印证了对称抑制模型是存在问题的。同样地,本文在双流体两相流模型的测试中也发现了界面波动对其附近湍流的影响。本文指出,波浪的影响在以前的研究中一直与分相湍流模型在数学上的本质问题混合起来考虑,但在使用附加模型来考虑波浪对于空气侧湍流的影响之前,应首先修正模型的本质问题。本文初步探究发现,进一步加密空气侧界面附近的网格精度对计算结果的改善作用不大,这是因为传统k-ε类湍流模型对于界面附近轻相侧的流动本来就不太适用。为了正确模拟此处的湍流,修正模型比提高网格解析度要更加重要。最后,本文对FLOW-3D软件中与掺气水流模拟相关的模型进行了总结探究和测试,并进一步使用其对超大单宽流量下X型宽尾墩后台阶面上的水气两相流特性进行了分析。测试发现,FLOW-3D的气泡尺寸模型中气泡大小主要受临界毛细管数控制,且软件推荐的默认值1较为合理;气泡初始直径对计算结果的影响可以忽略,在计算时可直接使用默认值0.001m。拖曳系数和Richardson-Zaki系数乘数对计算的影响较大,其可以改变掺气浓度分布以及掺气水深,也可以明显改变水体上部20%左右区域的气泡半径。同时,通过对台阶式溢流堰上二维掺气水流的模拟发现,FLOW-3D中的模型可以大体上模拟出台阶泄槽上的掺气水流的宏观特性。在网格精度足够的情况下其可以准确模拟非掺气区域湍流边界层的发展和掺气初生的位置,但计算所得到的掺气区的流速分布和掺气浓度分布与试验值仍然有着一定的差别,计算得到的气泡尺寸基本合理,拖曳阻力系数和Richardson-Zaki系数乘数两个用户自定义参数在本算例中对掺气浓度分布的影响不大。对明渠掺气均匀流进行的二维模拟表明,计算得到的非掺气明渠水流的湍动能分布合理,与文献报道的无量纲化分布曲线较为一致。计算的两相流速度分布与文献报道的相同糙率下的原型观测结果也相符较好。但是计算得到的纯水深和掺气水深仍与试验值有着最大±30%的差距。在对X型宽尾墩后台阶上的两相流特性的仿真中,发现FLOW-3D对于三维复杂体型下的掺气水流模拟的稳健性较好。X形宽尾墩后台阶凸角处的流速较大,约为15 m/s左右,且第11-45级台阶凸角附近在多个开度工况下均有负压,计算得到的台阶附近空化数表明第21-42级台阶均有潜在空蚀破坏的风险,但结合掺气浓度的数据来看,第30级台阶以前台阶附近的掺气浓度大于7%的临界值,因此发生空蚀破坏的可能性较小,而第30～45级台阶的空化数低、掺气浓度不足,发生空蚀破坏的可能性很高,这与工程实际的破坏是一致的。进一步探究发现,首级台阶的高度可以在某种程度上影响台阶上的掺气浓度。加高首级台阶可以提高台阶面（尤其是35级台阶以前）上的掺气浓度。因此,对于已建工程,加高首级台阶是一个经济可行的可以增加台阶面掺气浓度的措施。