正虹吸管道输水是一种常见的输水方式。工程中依据常规有压管流基本理论对虹吸管道进行水力设计,但是在水平距离长、大真空度的正虹吸管内流动介质体并不是单一的液相流而是气液两相流,气相的体积分数随安装高度的增大而增大,气相对管道的水力特性的影响不可忽略,负压条件下管路内的气液两相流的水力特性不同于常规正压管道,弄清楚其水力特性对长距离大真空度虹吸管路输水工程的设计和运行至关重要。因此,本文采用了物理模型试验、数值模拟及理论分析相结合的方法对大真空度虹吸管内的气液两相流流型、两相流水力特性和两相流能耗损失机理进行了系统研究。通过系列试验研究,揭示了虹吸管内由单一液相流变为气液两相流的原因。基于试验结果绘制出负压运行管道内气液两相流流型图,获得了虹吸管内泡状流、气泡流、过渡流和气团流的判别准则,并得到了安装高度、坡度和管径对流型图中各流型界限的影响规律。针对泡状流进行研究获得泡状流时虹吸管管径、安装高度、坡度及上下游水位差等因素对流量、压降、含气率和水头损失的影响规律。对虹吸非稳定状态研究得到淹没出流更有利于虹吸管工作,排气后虹吸管流量与坡度无关,排气频率与管径呈负相关,与坡度呈正相关,且正坡排气频率小于逆坡排气频率。建立了气液两相流体在虹吸管中的紊流运动方程,并结合气相浓度分布函数和普朗特混合长理论,推导出掺气后水流的壁面切应力计算公式,揭示了两相流不同于单相流的能耗损失机理。通过建立减阻率函数关系式,分析了气泡从水流中析出后对减阻率的影响,结果表明正虹吸管道内气液两相流流动阻力大于单相水流流动阻力,且随着掺气浓度的增加,流动阻力逐渐增大。提出虹吸管气液两相流动阻力系数计算公式,分析雷诺数对流动阻力系数γ的影响规律。基于试验结果发现考虑掺气影响的虹吸管沿程阻力系数在α<5%时小于不考虑气体影响的单一液相阻力系数,在α>5%时结果相反。对单个和多个气泡在虹吸管内运动过程进行受力分析,根据牛顿第二定律推导出竖直排列两气泡的曳力系数计算公式。结合气液两相运动的微分方程,利用方程分析法推导了虹吸管的模化试验的相似准则,得出在进行水力模型试验时,竖直管道应采用变态模型,且高度方向比尺为1,以保证pp=pm,α1m=α1p,水平管道做成以垂直管道横向比尺相同的正态模型。建立单个气泡和多个气泡运动方程,基于标准k-ε模型和VOF方法对虹吸管内单个和多个气泡运动行为进行了数值模拟,获得了不同尺寸单个气泡在动水负压条件下的运动轨迹、气泡速度和气泡形变过程,分析了气泡在虹吸管内对周围流场的影响。对上行管和下行管中竖直排列两气泡运动过程进行模拟,揭示了气泡相互融合过程,考察了气泡直径和流量对气泡临界间距的影响,研究成果便于进一步深入研究多个气泡和群体气泡的运动特性。