在非稳态空泡流中,空泡形态与流场结构之间存在复杂的相互作用,试验手段难以准确观测其中的各种复杂涡结构。RANS方法在直接应用于空泡计算时存在湍流模型对湍流粘性估计过高的问题,而经验修正方法又缺乏物理真实性,采用大涡模拟(LES)方法能有效地解决这个问题,并能揭示更真实的湍流相干结构。本文采用可压缩流动的LES方法,模拟了二维和三维水翼上的非稳态空泡流动,分析了湍流边界层结构及层流-湍流转捩过程,详细研究了空泡流动结构和流体动力特性,并探讨了空泡演化与边界层相互作用的机理。本文在均质平衡流模型框架内,针对空泡流混合介质的可压缩特性,采用Favre密度加权滤波方法建立大涡模拟的数学模型,采用的有限体积法利用了控制体体积作为滤波函数,并采用WALE亚格子应力(SGS)模型。空泡的计算基于一种求解蒸汽相输运方程的空化模型。采用基于SIMPLE的压力-速度-密度耦合算法进行计算。以带攻角的NACA系列水翼在不同空化数下的流动为研究对象,采用1000万量级空间分辨率的计算网格,开展了LES的网格计算精度分析,检验了LES方法对空泡流计算的适用性。LES的空泡流动计算结果反映了典型的湍流流场结构,精细刻画了整个水翼表面及尾流中的涡结构,压力脉动的频谱符合Bachelor的-7/3次方律。计算结果获得了水翼表面的边界层转捩过程,计算捕捉到了导边附近层流边界层内的流向不稳定性起始的T-S波、A结构、发卡涡的形成,以及流动从层流向完全湍流状态过渡的完整过程。边界层转捩区的长度和转捩过程与试验结果和经典理论较一致,水翼表面压力和涡量分布的扰动扩散过程清晰地反映了流动由层流向湍流过渡的过程。空泡内蒸汽总体积呈现较规则的周期性变化,与之对应的水翼升阻力系数具有包含多种频率的周期性脉动特性。发现在高强度湍流效应作用下,空泡脱落过程并非完全由传统的回射流机制主导,而是湍流脉动的发展过程导致了空泡的破碎。通过对空化作用下的涡量方程中多种涡量传输机制的分析,讨论了空泡的压缩性和斜压矩等因素对空泡面上的涡结构发展过程的影响。通过理论方法建立近似解析关系,分析发现了空泡周期性过程的远场压力扰动与空泡体积二阶变化率之间的严格定量关系。