对于介质为液体的机械端面密封，受密封环端面形貌的影响，在密封间隙局部会产生低压区，当压力低于工作温度下液体的饱和蒸汽压时，液体将发生汽化，形成气泡，即发生了空化。为了分析密封的性能，必须考虑可能出现的空化现象。对此，本课题提出了考虑空化效应的自由网格有限元算法，能够适应任意端面构型的机械端面密封的计算，并给出一种非常规的有限元推导过程，能够直接获得求解域边界的流量，特别适合机械密封的性能分析计算。该算法被证明高效稳定，具有较高的可靠性，且推导过程严谨清晰，利于进一步扩展。同时，基于MATLAB开发了一整套求解计算的程序，给出了完整的实现过程。该程序被证明具有适用性强、求解效率高等优点。程序采用模块化设计，便于进行二次开发，预置了5种密封端面结构以及2种边界条件的求解模块，引入了COMSOL Multiphysics软件，通过API调用能够实现多种功能，利于该程序向“流-固-热”耦合分析进行扩展。对比了两种空化边界条件的计算，得知对于空化程度较高的模型，JFO边界条件的计算结果的可信度明显高于雷诺边界。而且预置的JFO边界条件的计算模块求解效率很高，求解时间甚至小于雷诺边界条件，从而使JFO边界条件能够得到更广泛的应用。另外，提出了一种新的斜直线槽密封结构，利用计算程序进行了性能分析。进一步的，设计了一套全新的特殊的密封实验台，采用开放式设计，并采用透明材料制作其中一个密封环，因此能够对密封间隙内的流体进行直接观测，并且能够测量相关的性能参数。实验证明斜直线槽密封在实验的工况下发生了明显的空化现象，空泡形状与JFO边界条件的计算结果十分吻合，显示出JFO边界条件的优势及必要性。