阶梯式溢流坝是一种在溢流坝面上从胸墙附近直到坝趾处设计一系列阶梯的一种较新型的消能工形式。设计良好的阶梯式溢流坝可以让水流能量在阶梯段就耗散很多,进而可以显著缩小甚至完全省去消力池,获得巨大的经济效益。本文借助ANSYS有限元分析软件,以某模型试验放大改进后的坝体为基础,特别针对阶梯式溢流坝消能率随上游来流量增大而降低的现象,提出了4种优化方案,并对优化结构影响下的消能率、流场矢量、紊动能、坝面压强等要素进行了对比研究。本文主要研究内容及研究成果如下所示:(1)建立了阶梯式溢流坝坝体有限元模型,基于台阶面上的不同下泄流量(利用进口边界条件进行控制),模拟了坝面上水气两相流的流动状况,着重关注了台阶面附近的流场状况,模拟得出了台阶面隅角内旋滚的形成过程。模拟计算结果表明,随着进入拐角内的流量增大,凹角内的水流将逐渐出现明显的旋滚。而在消能率方面,通过下游消能率的计算与比较,发现随着台阶面上流量的增大,消能率迅速降低。(2)在流体域内水气两相流模拟结果的基础上,尝试设计一种类似尾坎的消能坎优化结构,并对优化方案消能率进行重新计算。计算结果表明,外形合适的优化措施可以有效改善消能效果,减缓消能率随流量增大而减小的趋势;(3)在关注消能率的同时,研究了增加消能措施后阶梯面下泄水流作用下的紊动能、紊动能耗散等要素,探究了消能率变化的原因。对比结果表明,坎状结构附近容易出现局部损失和紊动能较高区域,这是消能率变化的重要原因(4)结合流场计算结果和流固耦合方法,研究了坝面压强分布、改进结构的力学性能等要素,对改进结构进行了评估。(5)综合以上结果,进一步改进了原始的优化方案,尝试减少了原始优化方案的消能坎数量,并最终取得了较优的消能率改善效果,缓解了原始改进方案在部分阶梯的竖直固壁上出现较大面积负压区的情况。