近自由面超空泡航行器具有航速高、耐波性好、机动性强等特点,在军事和民用领域均有广泛应用。本文以超空泡近水面航行器为背景,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对近自由面空泡演化动力学机制开展研究,为近水面航行器设计提供技术基础。本文综合考虑自由界面效应、兴波效应、湍流和空化传质,针对复杂近自由界面空化流动,分别建立不可压缩与可压缩数值计算模型,采用VOF（Volume of Fluid）方法捕获空泡界面和自由表面,对近自由面多相空化流动现象开展数值模拟。针对近自由界面卷吸掺气现象,开展三相可压数值模拟。分析了底部通气水翼接近自由表面时的卷气起始机理,分别对尾部诱导卷气、空化诱导卷气、吸力面卷气三种卷气机制进行了系统研究,比较了不同弗劳德数下卷气空泡水动力特性。结果表明,卷气空泡存在与通气空泡相似的回射流泄气机制。对于近水面航行器,卷气空泡可以一定程度上取代通气空泡。卷气量与卷气机制主要受弗劳德数影响。研究结论为近水面航行器控制面设计提供了技术基础。针对圆盘空化器产生的通气超空泡,开展了两相不可压数值模拟,研究了自由界面效应下无量纲浸没深度、通气率对通气空泡的影响,分析了自由面约束下超空泡形状及其不对称性。自由面影响下,通气空泡长径比随浸没深度减小而减小,空化兴波波幅和波峰位置与弗劳德数、通气量、浸没深度等因素相关。分别讨论了回射流和双涡管两种不同泄气模式,比较了不同浸没深度下的泄气机理,靠近自由面处,回射流空泡回流区尺度增大,双涡管空泡产生界面振荡。同时开展了带空化器航行体通气空化流场研究,获得不同深度和通气量下航行体流体动力变化规律。对于水翼-航行体复合构件,跨介质水翼造成主空泡尾段间歇沾湿,并且可抑制航行体冲击造成的自由界面波动。本文研究结果可促进自由界面流和多相空化流流理论发展,为未来超空泡武器和高速近自由面航行器发展提供技术支撑。