利用旋流阻塞效应,新型旋流阻塞复合内消能泄洪洞可实现旋流阻塞和旋流扩散的复合消能,控制泄洪洞的压强与速度,减免空化空蚀,大幅提高泄洪洞的作用水头与消能率,是复合内消能工的一种创新。本论文依据国家自然科学基金-雅砻联合基金和教育部博士点基金的资助项目的研究内容和要求,结合雅砻江两河口水电站后期导流洞的改建方案,采用模型试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法,观测了这种新型复合内消能泄洪洞的基本水力特性,深入研究了这些水力特性的基本变化规律与相互关系,具有重要的科学意义和实际应用价值。　　观测与深入研究的结果表明:复合内消能泄洪洞内典型、理想的流态是竖井与开敞式进口淹没,旋流洞内为稳定的空腔旋流,旋流扩散段为气水混掺的两相流,扩散段后为有压流或明流;起旋器喉口的泄流量计算公式可表达为有压孔口泄流量计算公式的形式,流量系数与起旋器喉口的水流傅汝德数符合2 Fr?2?的关系,流量系数还与旋流阻塞形成的顶托压强有关,并符合2222)1(???p gH??的关系;旋流阻塞孔口的泄流性质是“空腔旋流有压孔口泄流”,泄流量计算也可表达为有压孔口的形式,但影响流量系数的因素很复杂,与旋流洞段的水头损失和旋流阻塞前后的压强差有直接的关系;与无阻塞相比,旋流洞段的压强整体增大,且壁面压强沿旋流洞变化很小,具有增压并保持的特性,这种特性是由于阻塞段空腔旋流直径收缩,旋转强度增大,离心力增大导致的压强增大并等值向上远递传递形成的,因此与旋流阻塞孔口的面积收缩比直接有关;顶托压强的影响因素有旋流洞段的能量损失、旋流洞段的高程差、起旋器喉口的水流傅汝德数和阻塞前或阻塞后断面的机械能,但主要取决于旋流洞段的能量损失与阻塞孔口断面的机械能大小;受旋流阻塞的影响空腔直径和旋流角沿程均表现为二次波峰与波谷的变化规律。　　在流速分布观测分析的基础上,提出流速分布的基本假定,推导压强分布的基本表达式,并用实测的水力特性资料和守恒定律的相关关系表达式对其进行了验证和分析,表明是正确的。分析与验证结果表明,在旋流洞段,沿径向的大部分区域内,流速分布符合自由涡分布假定;在该假定和流线曲率半径为同心圆的假定下,压强沿径向的分布为r的二次负幂指数分布,切向流速的速度矩C沿程呈现出波动减小的变化规律。　　推导了空腔旋流能量的表达式,研究不同旋流阻塞孔口面积收缩比时的能量的变化规律。结果表明,与无阻塞时能量分三段以不同速率衰减变化不同,有阻塞时受起旋器喉口和旋流阻塞收缩孔口的两端边界条件的影响,能量的沿程变化,总体上呈现出先降(或相反)然后保持的规律变化;不同旋流阻塞孔口面积比时,旋流洞内动能和压能的比例明显不同,面积比较大时,动能比例明显减小。　　分析研究了旋流泄洪洞各段能量损失的机理和特征,利用能量的断面积分方程分段建立了空腔旋流水头损失计算的表达式,并利用实测的空腔旋流的相关资料计算了消能率,计算结果表明:旋流洞起旋器段消能率占总消能率约40％,旋流阻塞与扩散段约占50%,旋流扩散段有较大的消能率;旋流阻塞面积收缩比对各段的消能率有明显的影响,较大的面积收缩比时,旋流洞段的消能率减小,旋流扩散段的消能率增大。　　按照复合内消能泄洪洞的设计原理,建立了在假定旋流洞的顶托压强和泄量为已知时,旋流复合内消能泄洪洞水头损失的经验计算方法,并给出了经验系数的变化规律。　　选取Realizable k-ε紊流模型,采用VOF方法对旋流复合内消能泄洪洞的流态、压强、空腔直径、水流旋转角进行了数值模拟,计算结果与模型试验结果符合较好,表明Realizable k-ε紊流模型对旋流复合内消能泄洪洞的水力特性数值模拟是适用的,数值模拟的准确度可以满足该类型旋流泄洪洞体型优化的要求。　　上述研究成果,填补了旋流阻塞与旋流扩散复合内消能泄洪洞的水力特性相互关系、能量特性、水头损失计算等研究的空白,发展了新型内消能工水力特性的理论,也为复合内消能工的流态优化、体型设计、结构设计等提供了方法和水力特性变化规律等方面的参考。