现代航空航天航海相关领域的研究者广泛关注物体穿过自由表面由空气中进入水中或由水中进入空气中这类问题。物体入水、出水现象往往与船舶耐波性、操控性以及导弹的空投入水或是水下发射联系在一起。物体穿过自由表面会出现非线性自由表面流动、非稳态空化流动等现象,是复杂的非线性多相流体动力学问题。显然,对这一问题的研究在诸多领域有着巨大的意义。本文主要应用基于耦合求解刚体运动动力学方程和Navier-Stokes方程的数值方法,开展了一系列典型的物体穿过自由表面问题的多相流体动力学研究,得到了一些有价值的结论。对于水平圆柱恒定速度入水问题,简要地描述了实验并建立了相应的数值水池；计算了入水过程的砰击系数-无量纲时间曲线；讨论了不同入水条件下的圆柱入水自由表面变化情况。砰击系数数值计算结果与实验值两者符合良好；数值计算还表明粘性对圆柱入水过程影响比较小；数值预测在入水圆柱上方形成闭合空泡的Fr数阈值介于0.9247与1.1之间。对于水平圆柱和船横剖面形状物体自由入水问题,分别介绍了实验情况并建立了数值水池。与实验对比结果表明：水平圆柱入水重要现象如射流运动、“空气垫”形成以及其他自由表面变化情况在数值模拟中得到了较好的呈现,圆柱运动轨迹也准确地得到了追踪；V形和艏外飘形横剖面形状物体自由入水问题的水动力计算结果也较符合实验记录。基于拉格朗日力学原理和势流理论推导了任意形状物体六自由度出水运动水动力计算式并结合Hess-Smith方法应用于水平圆柱恒定速度出水问题的理论简化分析上。基于实验,应用本文数值方法建立数值水池计算了水平圆柱恒定速度出水问题。数值研究与理论计算以及实验三者对比表明：本文的理论简化分析方法对物体出水过程水动力研究有一定的指导意义；数值计算的水动力结果较好；出水过程自由表面的变化也较好地反映了刚体运动和流体流动的耦合作用。建立了对应水平圆柱恒定受力出水实验的数值水池,修正了湍流模型以使其能准确地描述出水过程中的粘性分离流动。计算结果表明：水平圆柱出水过程自由表面形状变化的数值模拟结果与实验照片一致性良好；涡脱落现象等很好地得到了呈现；数值模拟的圆柱运动轨迹与实验记录曲线基本一致。开展了轴对称体出水空泡流动问题研究。首先数值研究了一定深度下水下航行体的稳态和非稳态空化流动问题。与实验对比验证了空化模型的准确性；修正湍流模型后的计算结果与实验的对比表明本文数值方法可以很好地应用于非稳态空化流动求解。然后,耦合刚体运动模型、VOF模型以及非稳态空化流动模型分别对平头轴对称体和半圆头轴对称体高速出水问题进行了数值求解。结果表明：出水过程产生的空泡在轴对称体头部露出原静止水面位置后能保持一段时间；初始时,空泡位于轴对称体头部的部分受到挤压产生溃灭,进而形成压力脉冲导致残留空化区不断溃灭；半圆头轴对称体肩空泡初始溃灭时刻早于平头轴对称体。希望本文关于物体穿过自由表面的多相流体动力学问题研究能够给相关领域的研究者提供一定的参考。