近年来,随着我国西部水电的大力开发,兴建了大量高水头、大泄量水利枢纽,挑流消能工应用最为广泛。新型挑流消能工的开发应用,成功解决了具有高水头、大泄量、窄河谷、泄洪频繁等工程的泄洪消能问题,却加剧了泄洪雾化的降雨强度和降雨范围。泄洪雾化引起的降雨强度远远大于自然降雨特大暴雨的雨强值,这对电站的正常运行、两岸边坡的稳定及周围生态环境造成巨大危害。泄洪雾化是非常复杂的水-气两相流,涉及因素较多,这为雨强分布的准确预测带来了难度。挑流水舌在运动过程中与周围空气剧烈地剪切和混掺,常伴随着剧烈的掺气,水舌的剧烈掺气和变形破碎为挑流水舌运动轨迹的准确预测带来了巨大挑战,而水舌运动轨迹的准确预测对下游消力池的布置、下游河床冲刷范围及泄洪雾化雨强范围的准确预测至关重要,是挑流消能设计中的重要指标。因此,本文基于雾化特性物理模型试验,研究了各挑坎体型在不同泄流条件下的下游水舌风和溅水雨强的分布规律;同时提出耦合传统网格方法和自主开发的SPH（光滑粒子动力学）无网格方法对原型挑流掺气水舌运动轨迹进行模拟;随后综合物理模型试验和数值模拟方法对随机喷溅数值模型进行改进,并应用于实际工程,探究挑坎体型和泄流条件对泄洪雾化雨强分布的影响。主要的工作内容如下:（1）探究挑坎体型和泄流条件对下游水舌风和溅水雨强分布的影响机制及其相互作用关系对泄洪雾化的研究至关重要。本文采用随机溅水物理模型试验,对比分析了各挑坎体型在不同泄流条件下的水舌风和溅水雨强分布规律,阐明了水舌风与溅水雨强分布的相互作用关系。试验发现:下游水舌风与挑流水舌的水力特性密切相关,连续坎下游水舌风沿轴线两侧呈正态分布,水舌风峰值位于挑坎轴线方向,且随距离轴线长度的增加,水舌风衰减迅速;而舌型坎体型,水舌风峰值则位于轴线两侧呈驼峰状;随着流量的减小,水舌风风速的峰值效应均出现弱化。针对纳子峡电站在泄洪期间电站厂房处于暴雨区的情况,开展了泄洪雾化危害治理研究,通过模型试验对比不同挑坎体型挑流水舌水力特性、下游河床冲刷形态、水舌风以及溅水量等参数指标,将50°挑角左侧边墙添加扭面贴角的挑坎体型作为推荐体型。相比其它体型,各工况下推荐体型挑流水舌沿轴线整体向右侧偏移,电站厂房处溅水量最大仅占原体型的3.79%,有效缓解了下游电站厂房处的雾化危害问题。该研究可为类似工程的挑流消能设计提供参考,为随机喷溅数值模型的改进提供了理论基础。（2）原型挑流水舌的剧烈掺气和变形破碎为射流运动轨迹的准确预测带来了极大的难度,而模型试验和传统网格方法又难以准确获得原型挑流掺气水舌的运动轨迹。本文提出了耦合Euler-Euler双流体模型和自主开发的SPH无网格方法对挑流掺气水舌运动轨迹进行计算。首先,基于Euler-Euler双流体模型对挑流水舌的掺气特性进行数值模拟研究,并通过试验结果进行验证;同时探讨了气泡粒径、壁面粗糙度、拖曳力模型和紊流模型对水舌掺气特性的影响。随后,针对原型挑流水舌掺气浓度大,水体呈破碎的离散液滴群,而传统网格方法难以反映液滴群的受力情况。因此,本文采用SPH无网格方法来模拟离散液滴群的运动特性。为了提高计算效率,基于CUDA并行计算技术,自主开发高效的无网格SPH程序,实现了GPU的并行加速。通过雷诺数较高的溃坝模型对SPH程序进行验证发现,数值模拟结果能够较为生动地反映出溃坝过程中水舌的飞溅、翻滚以及翻转水舌撞击水面形成后倾射流的整个过程。同时对标准SPH方法、基于黎曼的SPH方法和Delta-SPH方法的稳定性和准确性进行对比发现,基于黎曼的SPH方法采用相对较大的粒子间距就能得到较为准确和稳定的计算结果。最后,分别采用不同初始流速的水平射流、不同挑角的射流和原型挑流测量数据对提出的射流轨迹耦合计算模型进行验证发现,模拟所得水舌形态和挑距均与试验数据吻合较好。（3）以往随机喷溅数值模型难以准确计算舌型坎、扭面贴坎等异型挑坎水舌前缘特征参数,关于挑流水舌下游水舌风的空间分布规律研究较少,同时也忽视了溅抛水滴的粒径和溅抛速度之间的相关性,而这些因素对泄洪雾化雨强分布影响较大。因此,本文结合物理模型试验和数值模拟方法获得挑流水舌的水力参数并将其划分为多段线源,得到各线源的特征参数;并测量获得了不同挑坎体型下游水舌风的空间分布函数;同时采用雨滴滴谱仪测量获得溅抛水滴粒径与速度之间的无量纲关系。从而对随机喷溅数值模型进行改进,通过溅水试验对其计算结果进行验证。原型挑流水舌受掺气和空气阻力影响较大,水舌挑距难以准确计算,本文提出采用耦合Euler-Euler双流体模型和自主开发的无网格SPH模型对原型挑流掺气水舌的射流轨迹进行计算,以获得更为准确的线源特征参数。随后结合改进的随机喷溅数值模型对实际工程雾化雨强分布进行计算,探究挑坎体型和泄流条件对电站下游泄洪雾化雨强分布的影响。计算结果表明,数学模型计算所得雾化雨强分布与试验测量及原型观测均较为吻合;通过预测不同挑坎体型对下游雾化雨强分布的影响发现,在设计工况下,采用非对称舌型坎、舌型坎和连续坎时,大暴雨区分别向左岸扩散至3097.8 m高程、3096.2 m高程和3095.5 m高程,电站厂房均处在大暴雨区。扭面贴坎由于左侧边墙的扭面作用,挑流水舌及水舌落点位置整体向溢洪道轴线右侧移动,远离厂房,使得大暴雨区和暴雨区仅分别向左岸扩散至3092.6 m高程和3093.0 m高程,明显低于其它挑坎体型,电站厂房和业主营地均不再处于暴雨区,从而保证大坝安全运行。