空化现象是导致火箭发动机低温泵失效的基础问题。对低温流体的非稳态空化特性及机理的深入理解有助于液体火箭发动机低温泵系统性能优化,因此具有重要作用。由于低温空化相较于水空化存在显著的热效应,物理机理更加复杂。但低温环境下可视化实验观察难度极大,因此至今为止,相关实验数据较为匮乏,对低温空化非稳态特性和机理的理解尚未充分。为此,本文主要开展了以下工作:1、基于H-T气泡动力学模型,求解了包含可压缩性、热效应、表面张力、粘度、不可凝气体等效应的低温单气泡动力学模型,分析了压差对单个气泡成长和溃灭过程的影响特性。低温气泡动力学模型经水的超声空化实验验证。研究表明,对于气泡成长过程,热效应延长了成长的时间,泡壁速度先增大后减小,热效应越强,泡壁速度最大值越早达到,且值越小;初始压差越大气泡泡壁面速度越大,气泡成长更快。对于气泡溃灭过程,热效应抑制了气泡的振荡及最大溃灭压力幅值,并延长了溃灭时间;热效应越强,泡壁速度最大值越早达到,且值越小。热效应越强,初始压差对溃灭时间长度的影响更大,并且两者逐渐呈现指数关系。2、基于均匀混合物模型,建立了考虑气液全可压缩性和热效应的非稳态低温空化数值模拟框架,揭示了热效应、涡量和低温空化的耦合机理。基于Hord的实验数据,修正Sauer-Schnerr空化模型的气泡数密度(n=108),在压力-速度耦合方程中考虑气液可压缩性并耦合大涡模型(LES)建立了低温非稳态可压缩数值模拟框架。对钝头体空化模拟发现,空化区的脱落过程可分为两种模式:部分脱落模式(PSM)和全脱落模式(FSM)。在PSM中涡量传输主要集中于近壁面处,涡旋尺寸受热效应抑制,形成了小空化云团并以2500Hz频率脱离主空化区,主空化区缓慢缩小;而若模拟中不考虑热效应,涡量传输则集中在空化区气液交界面及空化区尾部,涡旋尺寸和整个空化区相近,空化区呈周期性整体脱落。当PSM中主空化区缩小至接近涡旋大小时候,空化区整体随涡旋脱落形成FSM。3、对NACA0015表面的液氢空化现象进行了三维非稳态数值模拟,阐明了空化过程中的频率及压力波动特性及机理。在σ/2α大于约2.0时,液氢空化的St数比相同σ/2α值时无热效应的水小得多,液氢空化中的热效应对大空化云团的形成具有较强的抑制作用,导致小空化云团的产生,空化区的脱落机制主要受涡旋和热效应的共同作用。而当σ/2α降低至约2.0时,由于涡旋强度增加,热效应对涡旋的相对抑制作用降低,流动非稳定性更接近于传统流体的大涡旋空化形态,St数回到与水相同的水平。4、搭建了文氏管液氮空化可视化实验装置,分析得到空化区长度、脱落频率特性并从压力波的角度分析非稳定性机理;搭建了—套水翼液氮空化可视化实验装置,测量得到水翼表面压力分布,对水翼附着空化区长度和温度等特性进行分析;对水翼侧面的间隙涡空化进行初步研究。对于文氏管空化,空化区长度与压比Pr呈反比关系,并存在—临界压比(Prc),在Pr<Prc时,空化区线性增长率相对较大。数值模拟和实验研究表明Prc随着热效应强度的增强而变大。使用分别基于空化区长度和文氏管喉部直径的两个斯特劳哈尔数Stc和Std分析片状和云状空化的非稳定特性。对于云空化,Stc均在0.30-0.40之间,而对于片状空化,则降至0.04-0.08。此外,在云空化区,Std随P,增加而线性增长,并且随着热效应强度增加,从片状空化到云空化的转变点被推迟,即相应的转变压比Prc变小。另外,空化云团溃灭产生的压力波在空化区传播形成冷凝前缘并主导云空化区的脱落,基于冷凝前缘传播速度的新斯特劳哈尔数处于0.5左右,理论公式Wallis声速能较好预测冷凝前缘的传播速度。对于NACA66水翼上的液氮空化,随着空化数的降低,空化区逐渐向下游发展,但是整个空化区并没有出现周期性的整体脱落现象,而水空化则在空化区长度超过弦长的50%时就发生周期性的整体脱落现象。随着空化数的降低,空化区的温降不断变大,并且在更低的空化数区域,温降幅值更大。间隙涡空化长度随着空化数降低先变短后变长,而宽度随空化数降低而不断变大。