涡空化是水力机械中常见的物理现象,通常发生在水力机械的进出口边和绕流物体的尾部,如泵叶轮、船用螺旋桨的轮缘以及水轮机尾水管中。空化会引起流场内流体压力的波动,导致过流部件表面载荷分布不均,并引起水动力噪声,严重时还会对过流部件造成空蚀破坏,进而影响水力机械的运行稳定性。由于工程中的水力机械结构复杂,数值计算所需的计算资源和时间成本较大,且受动、静过流部件相互干涉影响,其中的多尺度涡系难以被准确捕捉,使得直接通过水力机械来研究多尺度涡空化特性难以实现。本课题采用大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）方法以结构简单且计算量相对较小的二维圆柱绕流模型为研究对象,对高雷诺数下（Re=9500）的绕流圆柱尾迹多尺度涡空化流场进行数值模拟,探索了涡空化流场的精细化模拟方法,分析了多尺度涡空化流场特性,揭示了多尺度涡系演化与空化之间的相互作用,阐明了高雷诺数下圆柱尾迹多尺度空化涡结构的时空演化机制。本文研究成果可为水力机械内流旋涡空化的产生和演变提供一定的理论指导,对提高水力机械的空化性能具有重要意义。本文主要研究内容如下:（1）对比了不同空化模型对涡空化流场模拟的适用性,实现了对多尺度旋涡空化的精细化模拟。结合理论推导,分析了Schneer-Sauer（SS）空化模型和Zwart-GerberBelamri（ZGB）空化模型的异同,确定出更适合于涡空化流场模拟的空化模型,并结合LES模型通过数值计算进行了对比验证。结果表明,在涡空化流场的数值模拟中,SS空化模型比ZGB空化模型更适用于涡空化的模拟;（2）分析了Re=9500时的圆柱绕流尾迹流场特性。结合适用性优良的空化模型,对Re=9500的圆柱绕流尾迹流场中的多尺度涡结构开展精细化模拟,研究了无空化模型和有空化模型时圆柱绕流尾迹流场的流动特性。研究发现,在既定工况下,尾迹流场中产生的空化流会挤压上游流体,使得圆柱表面的速度边界层迅速增厚,最大切向速度减小,从而抑制涡系的脱落。从涡动力学角度对比分析了两种工况下尾迹流场中的涡量输运特性。结果表明,涡空化流场中大部分涡量来源于旋涡的膨胀收缩项,粘性耗散项主要分布在气液两相的交界面上,对空泡的成形影响很大。结合“大涡PIV”方法应用熵产理论,探究了绕流圆柱尾迹各流域中不同类型熵产损失的占比以及总能量损失的大小和分布。分析可知,旋涡空化对圆柱表面速度边界层内熵产率的分布趋势影响不大,对熵产率的大小以及流域内熵产来源的占比影响较大。结合本征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition,POD）方法,进一步分析了两种工况下尾迹流场中基于脉动压力场和脉动速度场时各阶模态的能量占比及时空演化特性,并对流场进行重构。结果表明,流场中空泡流的产生会挤压低阶模态中结构较大的旋涡,使其产生较大变形并增高其含能。在无空化模型条件时,圆柱绕流尾迹流场中压力能的耗散要快于动能的耗散,而在结合空化模型后,动能的耗散要快于压力能的耗散;（3）研究了多尺度涡系演化与空化之间的相互作用。从多尺度涡系演化对空化的作用、空化对涡系演化的作用以及不同空化数下流场的能量占比三个方面着手:探究了圆柱绕流尾迹流场中空泡合并和分裂过程的演化机制。结果表明,尾迹流场中部分同向小尺度涡的相互聚集或大尺度涡边缘小尺度涡的持续剥离会导致尾迹流场中空泡的合并或分裂。从涡动力学角度分析了不同空化数下涡空化流场中的涡量输运特性。研究发现,随着空化数的降低,圆柱绕流尾迹流场中的旋涡膨胀收缩项依然是涡量的主要来源,而粘性耗散项的总占比逐渐增大。着重讨论了不同空化数下的尾迹涡空化流场特性、圆柱表面时均压力系数分布以及速度边界层的分布特性。结果表明,随着空化数的降低,相较于空泡流的挤压作用,尾迹流场中湍流强度对圆柱表面升力系数的影响逐渐占据主导地位,使得圆柱表面附近流域中的大尺度旋涡结构分解成为相对较小的旋涡,圆柱表面升力系数对应的频率也趋于高频和多频发展,多尺度旋涡的脱落主频难以被准确捕捉。通过熵产理论和POD方法,进一步探究了不同空化数下绕流圆柱近尾迹区域中的能量分布特性及空化涡结构的时空演化特性。整体来看,空化数对圆柱绕流尾迹流场中熵产率的分布影响不大。基于脉动速度场分解得到各阶模态的含能及低阶模态的累积能量均随空化数的降低而减小。不同空化数的圆柱绕流尾迹涡空化流场中动能的耗散均要快于压力能的耗散。相比之下,空化数对基于脉动压力场POD分解的各阶模态结构中含能的高低影响不大。