风波发展及相关湍流现象的研究一直以来备受学者关注,然而其自由界面复杂的拓扑结构以及极强的瞬变性质给理论与实验研究带来了很大困难。随着计算机硬件条件和计算流体力学方法的发展,数值实验已成为该领域内一种重要研究手段。　　 本论文采用有限体积方法和自由界面捕捉格式,发展了基于单流体模型的水气两相流数值仿真模型。该数值模式可有效地克服目前风波的模拟采用贴体网格运动坐标系等ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian)类方法的缺点,即无法描述界面破碎及有气泡等界面大变形的情形。研究所用的对流格式具有良好的数值粘性,不仅能够有效地保证在密度不连续和具有奇异源项条件下的计算稳定性,还可“隐式”地模拟亚网格尺度湍流的粘性效应。　　 作为该领域的探索性研究,本文模拟了风驱动水面波(风波)的发生和发展过程,讨论了风波发展机理及相关湍流问题。对以下几类重要的物理过程进行了深入细致的分析研究,获得了具有重要科学意义的成果:1)通过波浪能谱、波面应力、波的能量变化趋势、主导波指数成长阶段等与相关风波理论实验的对比,研究风波发展机理,同时验证了本数值模拟的正确性;2)重点分析了流场中的速度、压力分布,能量的输运机制,进一步了解该问题的复杂及独特性,并与单相槽道平壁湍流对比,探讨了自由界面对流场的影响;3)研究了水气两相流空气侧涡旋运动的发展演变规律,揭示了自由界面附近空气侧涡旋的主要结构特点,旋涡结构与雷诺应力的相互关系,以及两相流中流向涡输运过程的主要特征,并也与单相槽道平壁湍流进行了对比分析。