琴键堰是一种新型迷宫式溢流堰,具有超强的泄流能力,其上下游顺水流方向倒悬的设计克服了传统迷宫堰基座占地面积较大的缺陷,从而可以更广泛的安置在大坝或溢洪道上,有效地解决各类水库泄洪能力不足的问题。由于琴键堰流态复杂、体型参数众多且泄流能力的大小直接取决于体型参数的大小,因此对其水力特性及体型参数的研究具有重要意义。本文结合琴键堰模型试验,采用FLOW-3D软件,选用RNG k-ε湍流模型和VOF法自由表面捕捉技术,模拟研究了上下游倒悬比对琴键堰泄流特性的影响及琴键堰下游的冲刷特性。主要研究内容及成果如下:(1)通过试验及数值模拟研究了倒悬比为2.5的非对称琴键堰的泄流特性。首先结合网格无关性及收敛性分析,通过对比流量、堰上水头、水面线、流态等信息验证了该数值模拟方法对琴键堰泄流模拟的可行性,然后详细分析了上下游倒悬不对称布置下琴键堰的流态特征、流速分布及压强分布特点。(2)模拟计算了倒悬比为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、∞时六种琴键堰的流动,分析了泄流能力随倒悬比参数的变化规律及影响机制。结果表明倒悬比是影响琴键堰泄流能力的重要体型参数,在同一堰上水头下,倒悬比越大,琴键堰的泄流量也相对越大。在相对堰上水头为0.7时,倒悬比为∞的琴键堰最大比倒悬比为1时多出约25%的泄流量。通过对六种琴键堰之间的各溢流前缘泄流能力分析,表明主要是侧面溢流前缘泄流能力的差异决定了不同倒悬琴键堰泄流能力的大小,而上游悬伸越长使得侧面溢流前缘靠近上游部分的水头更多的接近于堰上水头,从而增大了侧面泄流量。(3)采用泥沙数学模型对琴键堰下游的冲刷形态进行了探讨。根据Jüstrich冲刷试验结果,对湍流模型、泥沙数学模型及网格进行了率定并对比验证了流量、水位、冲坑形态,最终确定了合理的数值模拟计算方案。进而模拟比较了不同流量和沙粒粒径对冲坑形态、回流区域、速度场、紊动能、床面剪切应力的影响,结果表明最大冲深深度会随着流量的增大而先增大后不变,随着沙粒粒径的增大而减小;而最大堆丘高度会随着流量的增大不断减小直至接近河床原始高度,随着沙粒粒径增大的变化并不明显。