自然空化是指一定条件下液体介质内部出现蒸汽泡或蒸汽穴的现象。通常高速流动是自然空化发生的原因,它导致液体介质中局部压力低于液体的饱和蒸汽压,液体汽化而形成空泡。空化对于水利设备的剥蚀、噪声和高速运动物体的水动力特性及其稳定性控制具有极为重要的影响。随着各类水面和水下运载工具航速的大幅度提高,空化的发生不可避免。空泡流动特性及其机理研究仍是目前水动力学研究的前沿课题之一。发展合理的空泡流模型和适用于复杂三维非定常空泡流的数值计算方法,不仅具有重要的理论意义,而且有着广泛的工程应用价值。本文旨在探索更加合理的自然空泡流模型,发展高效、高精度的数值计算方法,研制具有自主知识产权的三维多相非定常自然空泡流的计算软件,并用于工程实际空泡流动问题的分析。本文的主要研究内容和创新性成果如下:1、在自然空泡复杂流场的多相流数学模型方面进行了系统而深入的研究。引入了五种基于正压关系、基于相分数输运方程形式的均质平衡流空化模型,并将五种线性与非线性的涡粘湍流模式与各空化模型相结合,发展了基于求解三维RANS方程系统的自然空泡湍流流动的数值模拟方法。在模型形式和算法实现上进行了改进,成功地模拟了空化数小于0.01条件下以及复杂非定常的自然空泡流问题。本文还提出了一种考虑来流介质可压缩性的高速空泡流模型,模拟了高亚声速来流条件下的自然空泡流问题。2、在适合于空泡流计算的数值算法方面开展了有特点的工作。针对空泡流问题的特殊性,在以无空泡单相流场作为初始条件进行空泡流计算之前,重置低于饱和蒸汽压区域的压力,并在计算中对压力范围进行限制,以保证得到合理的泡内压力分布。在压力-速度-密度耦合修正方法中,本文采用人工抑制混合介质的压缩性的方法,使得计算中空化区域内被重置的压力快速扩散,空化模型持续保持足够大的相变势,从而能够较快地生成合理的空泡形态。根据计算节点的相分数来设定节点上的可压缩性参数,进而对不可压缩的来流环境和可压缩的空泡区域采用不同的修正量,从而最终得到合理的流场分布。本文还研究了采用TVD的高阶对流格式捕捉空泡面的方法。3、自行开发了适用于三维非定常自然空泡流的数值模拟软件。该软件采用有限体积法开发,适用于分块结构化网格划分的任意复杂计算域。软件采用基于压力-速度-密度耦合修正算法的分离隐式求解器,求解的方程系统包括:RANS方程、压力修正量方程、能量方程、湍流模式方程、空化模型方程等。空泡流计算部分采用了本文改进和提出的空泡流模型,并结合了十余种线性、二阶、三阶的两方程湍流模式。方程对流项的离散格式采用带延迟修正的一至二阶迎风格式和多种带TVD限制器的高阶对流格式。通过验证表明该软件适用于较广的空化数和雷诺数范围的复杂自然空泡湍流流动。4、针对存在经典解析解和可靠试验结果的典型问题进行了计算比对,验证了本文数值模拟方法对自然空泡预报的准确性和对工况的广泛适用性。对网格密度、差分格式、模型参数、雷诺数影响等数值计算的基本问题进行了分析,考察了其对计算结果的影响。在较广的空化数范围内,本文计算均得到了稳定光滑的空泡形态,且空泡形状、空泡尺度、压力分布、阻力系数等与解析解和试验数据吻合良好。基于所提出的可压缩高速空泡流模型,模拟了高亚声速来流条件下的自然空泡流问题。印证了亚声速可压缩势流理论关于空化数固定时空泡长度和阻力系数随马赫数增加而增大的结论,说明了高速条件下考虑来流压缩性影响的必要性。系统地比较和评价了不同空化模型和湍流模式的组合在计算稳定性、网格依赖性、空泡形态、空泡尺度、泡内流动结构、水动力特性等多方面的差别和优劣,为进一步的空泡流数值模拟工作提供了有价值的参考。5、运用本文所建立的数值模拟方法,研究了文丘里管内空泡流、绕水翼空泡流与大攻角运行航行体空泡流等工程实际中的自然空泡流动现象与机理。对于文丘里管内空泡流,在不同的收缩-扩张角下分别计算得到了定常空泡形态和非稳态空泡演化过程。空泡在非稳态演化中呈现周期性的发展、断裂、脱落、下泻与溃灭,与实验现象相符。空泡长度、脱落频率、泡内速度及相分数分布与试验结果接近。入口压力系数的振荡频率与空泡脱落频率一致,表明空泡运动对流场结构产生规律性的影响。对于绕水翼的非定常空泡流,计算得到的空泡脱落与试验观察到的大块云雾状空泡发展过程一致,空泡脱落频率与升阻系数的振荡频率一致,Strouhal数与理论和试验结果相当接近。分析了空泡非稳态流动结构、特征及其机理,发现空泡周期性脱落现象与回射流发展、流场逆压梯度及涡结构演化之间存在紧密的联系。比较了湍流和层流条件下的计算结果,发现两者在空泡脱落点、脱落方式、副体紊乱度等方面存在较大的差别。模拟了大攻角运行航行体的自然空泡流,得到的三维空泡形状和压力分布的计算结果与试验数据相符。研究了大攻角下在航行体周向上的空泡形态分布特征,给出了多种空泡尺度与空化数、攻角之间的关系,以及升阻系数与空化数和攻角的关系。通过定量分析发现,空泡的不对称性会导致航行体某些部位受力集中,表明高速带空泡运动的航行体在大攻角运动中其结构将受到巨大的水动力载荷。