水轮机作为水电站的核心部件,对水电站的整体性能起着决定性的作用,水轮机技术的研究一直伴随着水电的开发在不断地发展。但是,国内外不少水电站由于一些尚未解决的技术问题导致机组出现异常甚至过流部件的损坏,困扰水轮机安全高效稳定运行的一些技术难题有待解决。随着水轮机向大型化方向发展,工程上对水轮机的能量特性、空化性能和稳定性又提出了更高的要求。因此,充分了解和掌握水轮机各过流部件的流动特性,对于正确预测水轮机的性能及提高设计水平具有重要的意义。所以开展水轮机过流部件内部的定常及非定常流动分析对于深入了解水轮机振动的内在机理、改善水轮机的综合水力性能、提高水轮发电机组的运行稳定性具有十分重要的意义。然而对于叶片头部背面初生空化现象的研究,目前国内外只有试验观察,对于其发生机理还没有明确定论,所以对叶片头部背面初生空化的数值模拟有着重要意义,为今后进一步研究提供帮助。水轮机内部真实的流动是三维粘性不可压缩湍流。本文采用CFX10.0商用软件,基于雷诺时均N-S方程与雷诺应力湍流模型,以某混流式水轮机机组转轮为算例,进行了定常全流道三维湍流数值计算,模拟了水轮机内部三维湍流流场,获得了水轮机内部流场的流态特征。根据水轮机全流道三维数值模拟结果,通过计算效率和试验效率对比,得出计算效率与试验效率趋势相同,在小开口时计算效率比试验效率低,而在大开口时两者效率基本一致的结论。根据计算结果,通过分析压力场、速度场和流线的流态特征,将计算结果与试验结果对比,进一步说明数值计算完全可以模拟出叶片头部背面初生空化现象。因此该方法对研究水轮机叶片头部背面初生空化有一定的参考价值。本文根据水轮机全流道三维定常湍流数值模拟结果,提取叶片进口头部计算数据,计算出水流进口角,得出水流进口角与叶片安放角之差与产生叶片头部背面初生空化的关系。本文的研究内容对优化混流式水轮机的设计,正确预测水轮机叶片头部背面初生空化具有一定的指导意义,具有广泛的工程应用前景。