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进水池作为重要的工农业转换环节装置,在诸如核电站冷却系统、快中子增殖反应堆、钠冷快堆及深邃泵站等领域都具有重要应用价值。其内部各类漩涡流动常表现出复杂的空间结构并且难以预测。这些漩涡通常会对上述各领域内的装置在安全运行及稳定工况方面具有较大影响,不仅会导致进水池性能下降,并且会对维护及运行费用提出较高要求,还会带来潜在的安全隐患。本文针对进水池内部涡旋流动问题,基于LBM（Lattice Boltzmann Method）的数值模拟与实验研究对其进行了深入分析研究。首先,通过实验手段系统研究并分析了不同流速条件下（喇叭管内不同平均轴向速度）,针对不同的后壁距、临界淹没水深、水中空气含量（VA=0或8.5%）对进水池内流态的影响。实验结果表明:在流量相对较小工况下两相流的CWL（Critical Water Level）低于单相的,随着流量的增加,这一趋势完全相反。同时,无论是单相流还是两相流,喇叭管悬空高最小时对应所需CWL为最大值。同时,后壁距越大时在自由液面测量截面上漩涡数量越多,且涡量值也越大。此外,通过喇叭管正下方垂立面上PIV（Particle Image Velocimetry）测量速度分布表明:在最小的后壁距时,自进水池入口来流占据了测量截面的较大部分区域,且自进水池入口来流与后壁面方向的来流并不是沿着喇叭管中心轴线对称的。对于较大的后壁距,自进水池入口来流与后壁面方向的来流关于喇叭管中心轴线对称。后壁距最大时,上述对称性仍然存在,但其对称中线是随着时间摆动的。同时,通过喇叭管下方的速度测量发现,在喇叭管入口靠近后壁面附近出现了速度曲线分叉现象,这可能是由于喇叭管的抽吸作用与进水池底面的壁面效应耦合引起的。然后,通过实验手段研究了封闭式有压进水池内自由液面漩涡及液下漩涡数量、速度分布、涡量随压力变化的演化过程。针对不同的压力条件,进行了三种对应流态下的实验研究:1.低流量工况,各测量截面上漩涡出现与否与进水池内部压力有关,在沿来流方向喇叭管后方左侧测量截面上,压力绝对值相对较低时没有发现漩涡流态。自由液面漩涡与液下涡的个数随着压力绝对值的升高而升高,但其涡量值随着压力的绝对值升高呈现波动状态。2.临界流量工况,各类漩涡演化过程在这一工况下与压力值紧密相关。具体的是:初始压力条件下在沿来流方向喇叭管后方左侧测量截面上并未出现任何漩涡流态,随后自由表面漩涡个数随着压力绝对值的增大而增大,其涡量强度是波动演化的,同时侧壁面上的漩涡个数也是随着压力绝对值增加的。3.大流量工况,各类漩涡个数都是随着压力的绝对值增加的。此外,通过统计学分析,沿来流方向右侧侧壁面上出现漩涡的概率要明显高于另外一侧侧壁面,后壁面出现漩涡概率始终很高,均维持在90%以上,并且此测量截面上多涡的概率也高于单涡的概率。与此同时,自由液面沿来流方向喇叭管后方左侧测量截面在较低流量工况下漩涡发生概率比另一侧测量截面小很多。单涡概率在此截面上的大部分工况下均随压力绝对值的升高维持在40%左右,而另外一侧测量截面上的单涡概率是先减小后增大的。最后,各测量面上的流动形态漩涡形态进行分区,分为无涡区、单涡区、过渡区、多涡区四种涡区。雷诺数,韦伯数与压力绝对值是影响自由液面漩涡发生及数量的三个重要参数。这三个参数的增加减小了无涡区,同时扩展了多涡区。雷诺数与压力绝对值的增加同时也减小了后壁面及侧壁面上的无涡区,并且造成了后壁面与侧壁面测量截面上的涡区差异较大。将LBM与大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）技术联合以后,在一典型的进水池模型中模拟了不同工况下进水池内部的旋涡结构及其演化过程。LES模型中的应变率张量计算通过Chapman-Enskog展开进行,物理壁面上采用反弹边界条件,自由液面采用无滑移壁面条件。将模拟结果与临界水位条件下的实验结果对比发现:临界水位工况下,自由液面上形成了三处明显漩涡流态,同时预测到了数量不一的侧壁涡、后壁涡及底面涡。随着淹没水深减小,即低水位工况下,自由液面上预测到了6处明显自由液面漩涡,但是与临界水位工况相比较,其形态却不十分稳定。在小流量工况下,进水池内流动与漩涡流态相对平顺与稳定。数值模拟得到的速度分布和涡旋位置与物理模型的实验结果吻合较好。这说明应用LBM数值预测进水池内的涡旋流动是可行的,其计算过程是稳定的。最后,基于LBM-LES预测将自由表面边界条件处理为刚盖假定的结果,通过LBM-VOF（Volume of Fluid）联合模型成功预测了一带有自由液面的进水池内各类涡旋流动及相关流态,数值模拟结果显示:自由液面在液面较低时出现了两处明显的漩涡形态,并且漩涡强度较高,在临界水深时漩涡个数未发生改变,但是轻度有所降低,在液面较高时,自由液面只捕捉到了一处明显漩涡流态,且强度降低。侧壁面上的漩涡流态个数与强度均是随着水深的升高而降低的。两处侧壁面在水位最高时均未发现明显漩涡流态。底面测量面与后壁测量面上在三种不同工况下均发现了不同数量与强度的漩涡流态。通过数值模拟结果与实验结果的对比分析表明:构建的LBM-VOF模型在漩涡位置及速度分布的预测方面与实验结果比较一致。基于LBM-VOF联合模型预测的自由液面演化过程表明本文提出的相关模型在预测进水池内各类旋涡流动是可行的,所得结果是较好的。为提高进水池数值计算效率,采用 MPI（Message Passing Interface）消息传递接 口联合 CUDA（Compute Unified Device Architecture）技术,相关程序通过C++语言程序编写。并行效能分析得到针对本研究的数值模拟采用5个CPU（central processing unit）进程的并行计算执行时间最短,加速比最大,且具有较高的通信效率。本论文拓展了 LBM方法在进水池工程实际领域的应用,有助于更好的理解类似进水池结构内的复杂流动现象。介观角度来看,可将LBM方法作为一种有效工具用于相关领域的设计及数值预测工作中。为相关领域提供技术参考。