抽水蓄能电站在电网中承担调峰调频任务,其过渡过程频繁剧烈,而水泵水轮机组向高水头、大容量、高转速发展,加剧了过渡过程的危险性。球阀作为保证输水系统安全关闭的重要措施,在甩负荷后与导叶联合关闭可优化过渡过程参数,相关研究已取得进展,但缺乏将水泵水轮机和球阀动作进行联合三维分析,即既考虑水击也考虑压力脉动相互影响的研究。本文应用一维输水系统与三维水泵水轮机耦合（1D-3D耦合）的CFD模拟方法,针对某抽水蓄能电站的一台机组甩负荷过渡过程,进行球阀与导叶同时动作三维瞬变流数值模拟,目的是探讨球阀对水泵水轮机转轮流态、压力脉动和转轮受力等特性的影响。论文主要工作如下:1.研究球阀简单管线性关闭过程中三维流动特性:采用CFD数值模拟方法,研究了球阀在简单管中线性关闭规律下的水锤波动特性和压力脉动特性。发现球阀关闭前期压力场几乎无变化;球阀关闭中期阀前压力上升,阀中和阀后压力下降;球阀关闭后期,阀前压力升至峰值后下降,阀中和阀后压力下降至稳定值。对球阀关闭过程的受力以及球阀受力与流态的关联性进行分析,发现在球阀关闭后期,流态的失稳是导致球阀受力波动的主要原因。球阀入口和出口之间动能和势能的转化以及能量消耗持续发生,但在球阀后期尤为严重,这也是球阀流态失稳的原因。此外,对球阀关闭过程中流场涡结构予以研究,有助于更好地把握球阀流态演变规律。2.研究了甩负荷后水泵水轮机导叶关闭过程中转轮尾水管三维流动特性:采用1D-3D耦合法对某原型水泵水轮机甩负荷过渡过程进行了数值模拟。其转速、流量、力矩等宏观参数随工况转移而发生巨大变化,单位参数特性曲线在空载工况点附近出现波动并逐渐向内收敛。对甩负荷转轮入口流态转捩规律进行分析,发现前期下环回流向上冠回流的转捩导致了流量变化出现转折点,上冠回流的发展使流量下降速率加快。转轮内旋转失速的发生不仅增大了流场压力脉动也使转轮径向力偏心运转。转轮轴向力在前期出现了突降,与尾水管中心螺旋涡带的生成有关。采用新Omega法对尾水管涡结构进行识别,验证了此方法相对于Q准则具有更好的涡结构识别效果,甩负荷过渡过程中尾水涡带主要存在3种形态,即中心螺旋涡带、边壁绕流涡带和上部环状涡带,同时对这三种涡带的演变规律及其控制因素进行分析。3.研究了甩负荷后球阀与导叶联合关闭过程压力脉动特性及球阀关闭对转轮三维流态的影响:采用1D-3D耦合法数值模拟了某原型水泵水轮机球阀和导叶协联关闭甩负荷过渡过程。与球阀不动作甩负荷工况进行对比,发现球阀关闭延缓了宏观参数变化趋势但使单位参数轨迹线收敛加快。将压力脉动与实验数据进行对比,发现两者宏观规律一致但存在相位差,这与计算工况球阀关闭时间与实验工况存在差异有关。球阀关闭使水泵水轮机工作水头减小,导致转速上升速率减慢,压力二次峰值的脉动幅值减小。球阀对转轮流态影响显著,直接抑制了甩负荷后期转轮由中部回流向中部入流转捩,导致入流无法充分发展,抑制了旋转失速的发生,从而抑制了压力脉动。但甩负荷也加剧了球阀流态的不稳定性,使球阀运行存在风险。这三部分工作相辅相成,循序渐进地对甩负荷动态不稳定特性及球阀关闭对甩负荷抑制作用机理予以研究,为后续水泵水轮机多工况转换以及调保平衡奠定了基础。