空化是一种由于液体局部压力低于该温度下饱和蒸汽压而导致的液体剧烈汽化现象,一般发生于水翼、螺旋桨、舵等高速运动或高速旋转的流体机械表面。空化的产生往往会造成严重的水动力性能损失,并且还会伴有剥蚀、噪声、振动等不利影响。因此,空化问题一直是水动力研究中的热点方向。空化问题的研究对象,最早期为一些几何形状简单的回转体或翼型,譬如圆柱空化流、二维水翼空化流等等。大批学者针对这些模型做了全面的实验研究,给出了丰富的实验数据,成为了后续研究人员进行空化研究的标准算例。而对于螺旋桨这类复杂模型的空化研究则是起于九十年代,在近十年来有了显著的发展。由于其物理问题的复杂性,目前十分依赖于模型试验,凭借经验和模型试验数据进行空化性能研究。这种方法十分直观,但是代价高,存在尺度效应,试验周期长,因此螺旋桨空化研究的数值模拟方法变得越来越受人重视。本文立足于开源程序平台OpenFOAM,采用该软件下的空化流求解器interPhaseChangeFOAM对圆柱、二维水翼及三维水翼的空化流进行模拟,并采用基于动网格的空化流求解器interPhaseChangeDyMFOAM对螺旋桨空化流进行数值预报。首先本文给出了空化流数值模拟的控制方程。由于空化流问题属于存在相变的两相流问题,它的控制方程包含连续性方程,动量方程,相方程以及质量传输方程共计四组方程,对这些方程进行了详细推导。之后对质量传输方程即空化模型进行了详细说明,对Singhal、SchnerrSauer等主流的基于输运方程的空化模型进行了介绍并给出推导过程。然后介绍了本文所用的湍流模型,并对粘性修正SST k-omega模型做出了解释。通过对圆柱定常空化流的模拟验证了求解器的可靠性,之后重点对二维水翼的非定常空化进行预报,模拟出了空化生长、脱落等现象,总结了非定常空化周期性变化的规律。结合空化形态、空化脱落频率对不同湍流模型进行了评价,最终验证了粘性修正SST k-omega模型的可靠性,并将其推广至三维水翼,在三维水翼TWIST-11N的模拟中也获得了满意的效果,成功模拟出了马蹄空化等典型的空化形态。通过对水翼空化流流场的速度矢量图进行分析后发现,对于二维水翼NACA0015,尾部回射流是导致空化脱落的主要原因。而对于三维扭曲水翼TWIST-11N,不同于二维工况,三维空化流会出现两类脱落,本文将其称为主脱落与次脱落,这两类脱落分别由尾部回射流和侧向射流导致。对于螺旋桨的空化流模拟采用了基于动网格的空化求解器,研究采用的是标准算例桨PPTC。针对该桨,在实验提供的三个不同工况下,对该桨均匀来流下的空化流场进行了预报,对比了有空化及无空化情况的水动力性能参数,证明了空化会带来螺旋桨的推力性能损失,并依据桨叶压力图,分析了产生推力损失的原因在于空化的产生抑制了低压区的范围。