底流消能作为一种基本的消能形式,在国内外水利工程中的应用十分广泛。底流式泄洪设施的布置与设计,直接影响消力池的水流流态与消能效率,更与下游河床的局部冲刷密切相关。因此,对底流消能式泄水建筑物体型与布置方案的优化研究,对保证工程大坝安全泄洪具有十分重要的意义。本文基于标准k-ε湍流模型、VOF自由表面捕捉技术,结合某大型水电站表、底孔泄洪设施的物理模型试验,对其三维流场原设计方案2000年一遇校核洪水标准、500年一遇设计洪水标准、50年一遇设计洪水标准和10年一遇设计洪水标准共4种工况进行数值模拟研究,获得了表孔溢流坝面,底孔泄洪洞及消力池内水流流速,水面线,压力等水力特性,并与水工模型试验结果进行了对比分析。研究发现原设计方案消力池内水流波动大,流场紊乱,出池水流二次跌落大且主流下潜,横向扩散不充分。在相应的物理模型上,下游河槽发生了严重的冲刷,冲刷最严重的右岸坡及表孔左导墙下游,恰好是右岸主流贴岸及左岸回流压迫区。本研究进一步通过改进消力池体型,保留底孔与表孔消力池间施工导流墙等措施,对优化方案500年一遇设计洪水标准、50年一遇设计洪水标准、10年一遇设计洪水标准和2年一遇设计洪水标准4种工况进行模拟,计算发现:优化方案显著改善了消力池及出池水流流态,出池水流二次跌落减小,下潜程度大为减弱,出池主流水平扩散较为充分,横向挤压等得到充分的抑制。相应地物理模型上河床冲刷的范围及深度均大为减小,特别是原设计方案底孔侧对应右岸区域几乎没有发生冲刷。研究表明,采用数学模型的方法可以很好地对泄水建筑物过流情况进行模拟,利用模拟计算获得的详尽流场信息,通过分析消力池流态、流速、压强及水面线等流场特性,在局部冲刷模拟还很不成熟的情况下,可以将泄水建筑物流场水力特性与下游河道冲刷相关联,综合考虑流场与下游冲刷的特性,评价消能工设计参数的合理性,进而优化泄水建筑物的体型与布置。