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空化是一种包含相变和湍流粘性效应的复杂汽-液两相流动，是水下高速航行器水动力学的一项重要研究内容。早期空化研究基于势流理论，关心宏观水动力学载荷特征。随着计算能力的提高，逐渐采用适用于湍流流动的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）模型预报时均流场。近年来，分离涡模拟（DES）和大涡模拟（LES）开始用于研究空化流动，是研究空化非定常流场的有效手段。本文通过DES和LES，首先对二维水翼片空化流场的非定常特性和云空化演化进行了精细数值模拟，在此基础上研究了三维有限展长水翼梢涡空化流场的结构和特征。本文分别采用RANS、DES以及LES对绕二维水翼的非定常片空泡脱落和云空化演化进行了数值模拟，研究并评估这些数值模拟方法预报空泡流非定常特性的能力，给出了不同流动状态下的二维水翼的非定常水动力系数。通过与二维水翼空化实验数据比较，修正湍流粘性系数的RANS模型可较准确地预报水动力系数，而DES和LES可准确地预报水动力系数和空泡脱落频率，是模拟云空化脱落与演化的有效途径。根据不同空化数条件下云空泡流场的大涡模拟结果对云空化脱落机理进行分析，流场数值模拟结果表明水翼吸力面的涡结构是造成空泡脱落的重要原因，片空泡脱落后云空泡与水翼壁面间形成回射流。采用DES对三维有限展长水翼梢涡空化流场特征进行了研究。通过单相流情况下梢涡强度和结构与实验结果的对比，验证了DES模拟的可靠性。对不同空化数条件下的梢涡空化模拟，给出了NACA0015有限厚度水翼梢涡涡系结构和流场特征，获得了梢涡空化区的形状、涡强变化。数值结果表明梢涡在刚刚离开尾缘时结构呈非轴对称，由三个涡系构成，继续向下游发展后演变为轴对称结构。相比全湿流场，梢涡空化显著降低了梢涡涡强。DES模拟还给出了梢涡空化区的速度和压力脉动特性，为分析梢涡空泡噪声提供了基础性流场信息。