由于高速流动导致液体压力低于饱和蒸汽压而急剧汽化,或通过注入不可凝结气体在液体中生成含汽或气的低密度空穴,称为空泡.空泡长度接近或超过物体长度时称超空泡.超空泡发生时,除水下航行体头部与水接触外,整个绕流体的近壁区域内是气、汽、液的多相混合流,涉及到了多相流、紊流、质量转换、可压缩性和非定常等复杂流动机制. 近年来,国外应用通气超空泡原理,达到减阻和突破速度极限的目的,在高速水下兵器的科研方面取得了突破性进展.目前,国内这方面研究刚刚起步,急待深化. 本文采用理论分析、机理试验与数值模拟相结合的方法,对水下航行体通气空泡形态、流动结构、稳定性以及超空泡减阻机理等关键问题展开研究. 首先,根据研究目标、试验设备和测试手段的特点,设计试验模型、通气系统及测量系统等装置.通过改变流速、压力、来流攻角、通气量和空化器外形等参数,在中、低速水洞中进行了系列试验,研究通气空泡的流动特性、产生机理和参数变化规律.考察了重力效应的影响,提出适用更宽范围的计算空泡轴偏离距离的修正公式. 然后,基于Reynolds平均N-S方程,在VOF和Mixture多相流模型框架内,采用有限体积方法和分离算法,提出了可用于模拟定常、非定常通气空泡流的数学模型和求解方法. 最后,在多参数组合下,对绕二维水翼和轴对称体的定常与非定常通气空泡流动进行了数值模拟.研究了通气空泡的基本形态、稳定性、泄气方式、重力效应、通气方式、泡内流动结构和洞壁效应,以及它们与空泡外形和水动力特性之间的相互关系. 主要成果如下: 1、建立了模拟通气空泡复杂流场的多相流模型.基于Mixture多相流模型,耦合自然空化模型,通过对CFD软件FLUENT6.1的二次开发,实现了包含自然空化和通气空化共同作用下,气、汽、液多相通气空泡流的模拟.通过与试验数据和理论值的对比,验证了模型的有效性和计算精度. 2、计算中发现了通气空泡流动存在临界通气量,控制着空泡形态在局部空泡与超空泡之间转换,临界状态前后水动力参数发生突跃,与试验一致.试验中得到了不同来流空化数下通气超空泡的临界起始通气量和临界消失通气量,这两者及其差值都随着来流空化数的减小而增加,表明通气超空泡具有磁滞效应. 3、计算分析了闭式水洞中洞壁效应对通气空泡流的影响.发现临界通气率随水洞直径的减小而减小,相同通气率下的空泡尺度和阻力系数随水洞直径的减小而增大,相同通气空化数下不同直径的水洞可能产生尺度差别很大的空泡.对于计算的带圆盘空化器的水下航行体模型,得到了不同直径水洞内的阻塞空化数,该值与三维圆盘的近似解基本吻合. 4、试验和计算都表明在定常或非定常来流条件下通气空泡具有非稳态特征.在绕二维翼型的通气空泡流计算中,发现了局部空泡尾部的大断裂与超空泡尾部的团状气水混合物周期性脱落的现象.同时发现在大通气量情况下通气超空泡表面存在界面波动,与试验现象一致.试验观测到当通气量小于起始临界值时,通气空泡尺度发生具有一定周期性的低频振荡现象. 本文通过大量工况的试验、计算和分析,积累了数据,深化了对复杂多相通气空泡流动现象与机理的认识,为进一步研究提供理论基础和技术手段.