“高水头、大流量、窄河谷、泄洪功率大”是我国水利水电工程建设的主要特征,而高坝泄洪消能设计、安全运行问题一直是近年来水利工程界所关心的热点问题。高坝泄洪造成的下游冲刷、空蚀破坏、结构振动及雾化等工程灾害已被人们熟知和广泛研究,并取得了大量的技术成果,但是目前我国对高坝泄洪消能诱发低频声波的研究基本属于空白状态。近年来,在向家坝、锦屏一级、溪洛渡、黄金坪等水电站现场发现泄洪诱发低频声波产生的若干环境危害问题,如下游城镇商店卷帘门和居民住宅门窗的持续振动。为了揭示高坝泄洪消能诱发低频声波的形成机理和关键影响因素,本文结合流体动力声学理论分析、低频声波原型观测分析、气-液二相紊流数值模拟、声学数值模拟计算等研究方法,对高坝泄洪消能的涡旋发声机理、泄洪诱发低频声波现场分布及传播规律、高坝泄洪底流消能诱发低频声波机理及预测以及高坝挑跌流泄洪消能诱发低频声波的多振源发声机制开展了系统的研究。本文的主要研究成果如下:(一)高坝泄洪消能的涡声理论及涡旋发声机理研究。高坝泄洪诱发低频声波是流体动力声学的研究范畴,本文从流体动力声学出发,将涡声理论首次应用在高坝泄洪诱发低频声波的机理研究中,通过Green函数法、匹配渐进展开法对涡声方程进行了求解及理论分析,得出紊动流体辐射噪声与涡量的大小、变化和运动情况直接相关,涡量随时间变化的区域是有效声源区。并以涡声理论为基础提出了高坝泄洪消能的涡旋发声机理。(二)高坝泄洪消能诱发低频声波原型观测及传播规律研究。分析了高坝泄洪底流消能和挑跌流消能现场原型观测低频声波的沿程分布规律及时频域特性,研究了低频声波与泄洪流量流态的相关关系,比较了不同泄洪消能方式下低频声波特性的异同,利用大气吸收机制研究了低频声波的传播及衰减规律,并从水力学角度出发分析了原型观测和水力学模型试验中边壁脉动压力与低频声波的相关关系。(三)高坝泄洪底流消能诱发低频声波机理及预测模型研究。对向家坝水电站原型泄洪工况进行紊流数值模拟,分析了高坝泄洪底流消能区的流场特性,并利用Q准则实现流场中涡结构可视化,研究了涡量脉动特性与底流消能的涡旋发声机理,结合涡声理论、紊流模型、原型观测结果建立高坝底流消能诱发低频声波强度的数学预测模型。研究结果表明,底流消能区主流水舌与旋滚区交界处的强剪切层是涡量脉动最剧烈的区域,此区域涡量脉动特性与现场低频声波特性高度相关,是诱发低频声波的主要声源区。建立的高坝底流消能诱发低频声波强度的数学预测模型与原型观测结果吻合较好。(四)高坝挑跌流泄洪消能诱发低频声波多振源发声机制研究。溢流水膜振动诱发低频声波的机理并不完全适用于我国的高坝挑跌流工程。根据锦屏一级水电站低频声波原型观测结果,提出从水垫塘淹没射流和挑流水舌-空腔耦合振动两个角度出发研究高坝挑跌流泄洪消能诱发低频声波的多振源发声机制。结合紊流数值模拟与涡声理论研究水垫塘淹没射流诱发低频声波机理,利用声学数值模拟方法研究挑流水舌-空腔耦合振动诱发低频声波机理,并根据原型观测结果开展了高坝挑跌流泄洪消能诱发低频声波的多振源影响分析。研究结果表明,多振源发声机制确实存在,水垫塘淹没射流和挑流水舌-空腔耦合振动这两种发声机制对现场低频声波的影响程度相当,挑流水舌-空腔耦合振动可诱发较宽频域能量分布的低频声波。总而言之,无论高坝泄洪挑跌流消能还是底流消能,水流强紊动剪切作用区是涡旋产生及聚集的地方,是诱发低频声波的主要声源区。在高坝挑跌流泄洪工程中还须注意挑流水舌-空腔耦合振动诱发低频声波这一工程问题。本文的研究为高坝泄洪工程诱发低频声波这一环境危害提供了理论依据、评估方法和预测手段。