在阶梯溢洪道前加设掺气坎,高速水流流经掺气坎形成挑射水舌,使水流底部产生强迫掺气,增加水流中的掺气浓度以保护阶梯面,减小阶梯面负压,这种前置掺气坎阶梯溢洪道能够有效兼顾过水建筑物在高水头,大单宽流量下运行时的消能效果与减蚀情况,深入研究高速水流下的前置掺气坎阶梯溢洪道具有工程实际意义。如今数值模拟已成为高速水力学中常用的研究手段,本课题基于两相流基本方程,在某大型水电工程试验研究基础上,选用紊流模型、卷气模型、漂移通量模型,对高速水气两相流在前置掺气坎阶梯溢洪道不同体型设置的模拟工况下进行数值仿真计算,探寻了改变台阶高度和溢洪道底坡对溢洪道的水流流态、水面线、掺气空腔长度和掺气浓度、压强分布、流速分布和消能效果等水力特性的影响,并研究掺气坎高度与台阶高度、溢洪道底坡在实际工程中的适配性问题,为工程设计和方案优化提供参考。研究得出结论:台阶高度增大有利于前设掺气坎阶梯式溢洪道的消能效果,但会使前几级台阶竖直面的负压增大,发生空蚀破坏的风险增大,将掺气坎的高度增大到0.8m能有效增大掺气保护空腔的长度,增大台阶近壁面的掺气浓度以减轻负压造成的空蚀破坏风险;溢洪道底坡为1:4.25时前几级台阶处近壁面掺气浓度和负压分布情况优于其他两种溢洪道底坡的工况,且溢洪道底坡变缓时消能效果有所提高但效果不明显,通过将掺气坎高度加高到0.8m可以在保证掺气减蚀的前提下也得到较大消能率,研究得出最优工况是台阶高度为2.5m,溢洪道底坡为1:4.25,掺气坎高度为0.8m的工况b-3。