云空化是工程中最为常见的空化类型之一，其产生和发展过程具有较强的非定常特性，由之而来的振动、噪声、空蚀等问题会对水力机械、船舶推进器及水利工程等造成不同程度的危害，因而如何控制云空化一直是空化研究领域的热点。但由于云空化演化过程与湍流及旋涡等流体力学中的难题息息相关，人们对其认识尚十分有限。因此研究云空化形成及演化规律对于深入认识云空化进而实现对其控制具有重要意义。本文针对水翼上片空化脱落形成云空化的过程，通过试验方法和数值模拟研究了云空化的演化过程及流动特性。首先以二维水翼和三维扭曲水翼为模型，通过高速摄影对一定攻角、定常均匀来流下绕水翼的空化形态进行了试验观察，确定了研究大尺度云空化产生及发展规律的适宜条件。在此基础上，分析了一定攻角和空化数下绕三维扭曲水翼云空化形成和演化的规律。发现云空化由片空化脱落产生，而回射流是引起片空化脱落的主要原因。云空化演化过程中在空间上会形成U型涡结构，云空化的演化与U型涡的发展密切相关。此外，尝试利用PIV技术测量了空化前后流场的差别。然后针对试验条件下三维扭曲水翼上云空化形成与发展的过程进行了数值模拟。结果发现，云空化的生成及演化过程与试验结果一致，当前的计算方法可以获得云空化发展过程的主要特征。通过数值结果对流动细节分析表明，水翼上云空化的产生与片空化底部的回射流有关，而云空化的演化受U型涡控制，并从涡动力学和涡运动学角度解释了云空化U型结构的成因。由此提出了水翼上大尺度云空化形成与演化的普遍机制。