圆柱体入水复合运动是指具有一定速度和倾角的圆柱体砰击液面进入水域多自由度运动的过程,是在非常短时间内涉及介质突变和结构响应,以及气体、液体和固体之间强耦合的复杂多相流动问题。圆柱体入水复合运动形成与经典的垂直入水截然不同的入水流动现象,入水空泡演化、流场特征、水动力特性和运动特性等均出现根本性的改变。此外,圆柱体入水复合运动问题的研究被广泛应用于海洋工程和航空航天等领域,如船舶砰击、鱼雷空投和运载器入水回收等,因此开展圆柱体入水复合运动的多相流动特性研究具有重要理论意义和工程价值。本文采用实验和数值模拟相结合的研究方法,针对圆柱体入水复合运动多相流动特性进行了全面深入的研究,主要研究内容和成果如下:基于高速摄像技术,建立了具备定点释放、相机触发等功能的自动时序控制实验系统,开展了不同倾角和水平速度的圆柱体入水实验。提出了基于灰度梯度的边缘模型和复杂多相流动干扰的圆柱体边缘形态识别方法,结合临界容差五次样条法的离散数据处理技术,获得了圆柱体的运动特性。基于大涡模拟控制方程、多相流模型和重叠网格技术,同时考虑静水和波浪环境,建立了圆柱体入水气液界面追踪和运动体轨迹与姿态捕捉的模拟方法,将数值结果与实验结果进行对比,验证了数值模拟方法的有效性。开展带倾角圆柱体垂直入水实验研究,得到了入水空泡生成、发展、分离、闭合和溃灭的演化现象,分析了空泡演化过程的流场结构及流动机理。研究了初始喷溅与圆柱体入水参数的关系,获得了圆柱体入水初始喷溅速度预测经验公式。开展带倾角圆柱体垂直入水数值模拟研究,得到了入水空泡闭合时间随弗劳德数线性增加的变化规律;分析空泡分离对水动力特性的影响,发现了空泡分离发生的头空泡闭合时,作用在圆柱体上的瞬时冲击载荷在特定情况下比入水砰击更大。基于实验和数值模拟相结合的方法,开展多运动参数耦合圆柱体入水多相流动特性研究。发现了入水空泡壁面运动与空泡演化规律的关系,建立了基于空泡壁面运动定量划分空泡演化各阶段的方法。获得了初始倾角和水平速度对圆柱体入水空泡非对称演化、水动力特性和运动特性的影响规律。喷溅穹顶在压差作用下自中部向泡内凹陷形成供气通道,空泡闭合后的上半空泡影响,甚至支配尾空泡演化。升力系数平均增长率随初始攻角增加而线性减小,且空泡闭合前的升力系数平均增长率的衰减速率比空泡闭合后快;不同初始倾角圆柱体的阻力系数随入水时间增加而增加,且攻角绝对值越大的圆柱体阻力系数增长越快。发现了多运动参数耦合圆柱体入水空泡闭合时间随弗劳德数线性增加。获得了入水轨迹的迂回方向与初始参数之间关系,建立了圆柱体沿非迂回轨迹运动的临界参数在初始参数空间的预测模型。开展了圆柱体在不同水域环境条件下入水多相流动特性的研究,获得了迎流速度和波浪参数对圆柱体入水空泡瞬态结构、运动特性和动力特性的影响规律。圆柱体在不同迎流速度和波浪速度条件下入水空泡演化过程和水动力特性非常相似。空泡闭合时间随弗劳德数增加呈分段线性增加的变化规律,但空泡闭合点深度相同。在浪长高比小于20的环境条件下,圆柱体经相同波面位置入水的空泡演化过程和水动力变化规律相同;而波浪长高比大于40的波浪对圆柱体入水空泡的影响可以忽略。升力系数和力矩系数在圆柱体从迎流侧壁面砰击空泡壁面运动至波峰位置的过程快速衰减,且波浪速度越大衰减越剧烈。