流体机械是工业中量大面广的通用设备,高功率密度设计是流体机械系统节能的重要手段。然而高功率密度导致的高转速化及空间紧凑化,极易引起叶片表面局部压力过低,进而引发空化,并由此带来振动噪声、材料侵蚀、性能下降等不利影响。因此,深入开展典型流体机械空化动力学的机理研究,揭示绕流叶片空化流场中各物理量的脉动特征及演变规律,进而有效控制空化的产生和不稳定脱落,具有重要的科学研究价值,并能为流体机械抗空化设计及安全运行提供指导。翼型是流体机械截面的基本形状。因此,本文首先以静止的Clark-Y水翼为研究对象,提出非定常空化流动的数值模拟方法;随后开展前缘仿生凸结对绕水翼空化流场的控制机理研究;最后在具有典型动静干涉效应的透平机械——液力变矩器中进行空化控制理论与方法的工程应用研究,进一步归纳凸结参数对其液力性能及空化性能的影响。具体的研究工作及结论如下:（1）通过湍流粘度修正和尺度解析模拟方法,开展了绕二维及三维水翼的空化流动特性研究,阐释了云空化准周期性演变过程中的非定常湍流脉动行为。结果表明,湍流粘度的合理预测是捕获完整的云空化演变行为的前提,水翼尾缘反向射流的形成是造成空穴发生断裂和脱落的根源;证明了应力混合涡模型在预测空化流动中多尺度结构及可压缩性方面的先进性,从本构方程中提供了RANS方程和LES方程间切换机制的新视角,发现RANS求解部分的增加确保了片状空穴的稳定增长,而LES覆盖范围的扩大促进了相间交界面的破裂及复杂大规模空泡团的脱落;揭示了气液相变和空泡溃灭与湍流速度脉动的映射关系,引入涡量输运方程分析了空化与旋涡的交互作用,发现由速度梯度变化引起的旋涡拉伸项和由流体可压缩性导致的旋涡扩张项主导了非定常空化流动中旋涡的生成与演化。（2）提出了基于前缘仿生凸结的涡流控制方法,阐明了凸结诱导产生的对旋流向涡对空化流动特性的影响规律。流向涡能够增强边界层的能量,有效抑制流动分离,从而切断了翼展方向的片状空穴,将空穴限制在波谷处,并干扰了下游流场,使得水翼尾缘空穴的振荡和脱落规模明显减小。发现了空化会反作用于二次流向涡的发展,促使二次流向涡在涡量分解项无序分布的影响下发生破碎和混合。基于简化的空化流场一维分析模型,进一步阐明了压力脉动与空穴演化之间的关系,仿生水翼通过减小压力脉动有效抑制了空穴体积的加速度,从而揭示了空化形态的控制机理。（3）选择具有典型动静干涉效应的液力变矩器为工程应用对象,通过结合不同工况下液力特性的试验结果及涡流形态的精确捕捉,分析了空化随工况发展的动态演化规律。结果表明,空化主要影响低转速比工况下液力变矩器的传递功率,空泡堵塞流道导致了循环流量的减少,使得叶片载荷下降。由于高转速比工况下泵轮与涡轮的转速差降低,叶轮内的湍流脉动减弱,使得整个流体腔压力回升而没有空化发生,所以最高效率不受影响。发现空化随工况的演变实质上对应了入射角的变化,启动工况下油液以最大入射角和最大流速冲击导轮叶片,导致空化最为严重。开展了仿生凸结在液力变矩器内空化流场控制的应用研究,结合最优拉丁超立方试验设计方法和多目标优化算法,获得了波幅和波长与液力性能和空化性能之间的影响规律,证实了凸结波幅对空化的控制效果更为显著,优化后的模型能够削弱空化发展,抑制分离涡,减少流动损失,从而改善了液力变矩器的综合性能。