水能是一种可再生能源,具有清洁无污染、可循环利用、成本低效益高、对生态环境影响较小等优点,是目前乃至未来几十年内主要的电能生产方式之一,并逐步代替不可再生能源在我国能源消费结构中的主体地位,因此研究水力发电过程中水电能源的转化以及如何有效提高水能利用率使得水电能源达到最优显得尤为重要。　　 水力发电是一个水机电耦合的大系统,由水力系统和机电系统构成,本文构建了由库区和压力管道组成的水力系统,采用有限体积法对计算区域和流体流动方程组进行离散,结合边界条件和初始条件利用基于算子分裂的压力隐式算法对离散方程组求解。由于水头和流量是构成水能的两个基本要素,水头的变化涉及到了自由液面,故引入了流体体积法来求解水气两相流问题并捕捉自由液面的位置。文中采用了商用流体动力学软件FLUENT对带自由液面的水库变水头压力管道非恒定泄流进行了数值求解,研究库区形状、压力管道连接方式、压力管道管径和压力管道倾斜度对水电能源的影响,初步探索了流场的流线分布、质点运动轨迹以及进水口的抽吸影响。　　 为了验证本文采用的数值计算方法的正确性,建立了直角管路进口模型,数值计算的局部水头损失系数为0.546,经验值为0.5。由库区长度为3m和库区长度为6m的直角管路进口模型流场流线图对比可知,进水口前水体的下泄在z向可分为三个部分,第一部分的下泄点离进水口边壁较近,下泄流线曲率较大,近乎90°,下泄区域为[55°,90°];第二部分流线曲率较平缓,是主要的下泄水体,下泄区域为[0°,55°];第三部分流动至进水口前再向进水口聚拢,流动区域为[-90°,0°]。　　 本文建立了长方体库区和梯级库区几何模型,在相同的压力管道结构布置条件下同一水头得到的流量和出力相差无几,但同一库容在相同的泄流时间内梯级模型可获得更多的发电量,且梯级模型单位体积水量的发电量比长方体模型多3.038kW.s,故梯级模型在水能利用和电能生产方面都优于长方体模型。　　 压力管道的连接形式对水能的利用影响较大,倾斜段与库区非直接相连的最大出力比直接相连的最大出力减少了12.7％,最大水头损失增加了7.1％,产生同一电量也更耗水,故倾斜段与库区直接相连更具优势。　　 在相同的库区形式和压力管道结构布置条件下,压力管道管径越大同一水头下的出口流量和出力就越大,但发出同一电量所耗费的水量是一样的,与管径大小无关。管径越大进水口的抽吸作用范围越大,管径为0.5m以内时,抽吸范围是对称的,随着管径的增大进水口对上部水体的作用增大,呈现非对称状态,在xy平面仍可近似认为是对称的。　　 文中数值计算了压力管道倾斜度分别为60°、45°、37°、30°、14.5°的工况,随着倾斜度的增加,发出同等电量所需消耗的水量越小。37°和30°的单位电量耗水几乎相等。倾角在45°以内时进水口对水体的抽吸作用是对称的,倾角为60°时对上部水体的抽吸作用增大。随着倾角的增大在x方向的抽吸范围越小。