空泡船在航行过程中,由于潜体表面被气体包裹,能够取得良好的减阻效果以提升航行速度。空泡船潜体进行通气的过程中涉及到固、液、气三相间的相互作用,在高速航行时还会伴随自然空化的发生,自由面的存在导致空泡船非定常流动变得更加复杂。开展近自由液面流场演化及水动力特性对空泡船的研发具有重要意义。本文首先针对空泡船潜体附体存在的近自由液面空化现象,以水翼作为基础模型,研究了NACA66水翼在近自由液面条件下的空化流动。通过对比有无自由液面两种工况下的水翼空泡形态与水翼水动力性能,发现自由液面减小了自然空泡长度,导致水翼升力和阻力系数下降,并增加了空泡脱落的频率。此外,通过速度场的动力学模态分解（Dynamic Mode Decomposition,DMD）,发现自由液面减少了每个模态中包含的能量并减小了旋涡的尺度。还通过对比不同深度的水翼空化现象,发现自由液面对水翼空化起到了一定的抑制作用。在此基础上,为探究一端固定一端自由的近自由液面水翼空化流场特性,在自由液面附近模拟了NACA0009水翼的尖端泄漏涡（Tip Leakage Vortex,TLV）空化流动。通过对比有无自由液面两种工况,研究了自由液面对水翼尖端泄漏涡空化的演化和流体动力载荷的特性的影响。在近自由液面的工况下,TLV水翼的升力和阻力系数减小,但是升力系数的脉动频率增加。同时,通过对比有无自由液面两种工况下的涡结构与涡量输运特征,分析了近自由液面的TLV空化的流场演化机理。通过基于DMD方法的前两阶模态对比,发现TLV空化的主要流动特征（包括相干结构和能量分布）与自由液面的存在密切相关。然后,基于对近自由液面水翼空化流动的研究基础,设计了一种带前置螺旋桨的通气潜体,开展了无自由液面下前置螺旋桨与通气潜体耦合效应评估研究。通过对比三种不同工况下的涡结构与截面涡量,发现潜体会干扰螺旋桨叶梢涡向下游的发展特性,并影响结构的水动力学性能,包括推力,阻力和升力。提取了三种不同工况下的螺旋桨水动力性能,发现通气的潜体会导致螺旋桨效率降低,阻力减小。同时,通气空泡具有明显的壁面效应,使螺旋桨的速度场和涡度场的主要特征区域远离潜体的表面。对叶梢涡结构的分析表明,潜体可以抑制下游叶梢涡的衰减,从而使螺旋桨叶梢涡更容易向下游发展。考虑到实际航行环境,空泡船在航行过程中水下潜体部分距自由液面非常接近。因此,对有无自由液面条件下的通气潜体进行了对比研究,分析了自由液面对空泡船潜体部分的影响机理。与无自由液面条件进行对比,通过空泡形态、潜体水动力性能、速度场、涡量场等方面研究自由液面对前置螺旋桨与通气潜体流场的作用。发现自由液面的作用促进了通气空泡的减阻效果。抑制了潜体表面的速度变化,使流场更早地达到稳定状态,并促进了涡量在水平方向上的发展。最后,以前面的研究成果为基础,设计了一种空泡船构型。对波浪条件下的空泡船运动响应与载荷特性进行了数值模拟。分析了波浪条件下空泡船的纵摇,升沉运动及其加速度等船舶运动响应;以及升阻力,表面压力等水动力性能参数。通过对比常规单体船,空泡船未通气与通气之间的数值模拟结果,发现空泡船比常规单体船具有更好的耐波性与稳定性,能在波浪中更加平稳地航行。且空泡船在通气后的浮态将发生改变,并具有明显的减阻,减摇效果,且空泡船表面压力载荷也有所降低。