气泡是自然界较常见的一种现象，在很多领域都具有重要的应用，例如水下爆炸、水利机械空化、超声波碎石、超声波清洗、船舶微气泡减阻、海底资源勘探、航行体超空泡等。气泡在以上领域的应用都离不开目标结构，利用好气泡在物面附近的载荷特性和对结构的毁伤机理，能提高水中兵器毁伤威力、延长水利设备寿命、增强海洋开发能力和改善医疗条件。虽然，国内外对气泡动力学特性进行了较为详尽和深入地研究，但是由于气泡运动的复杂性，关于近物面气泡载荷特性和气泡坍塌过程中结构总体毁伤机理的研究仍不是很充分，很多背后的力学机理还有待探索。因此，本文将针对目前所存在的问题，以数值为主，实验为辅的手段，研究近物面气泡载荷特性和气泡坍塌过程中结构的总体毁伤机理，为气泡在各个领域的应用提供可行性的建议和基础的技术支撑。
　　本文首先阐述了气泡在各个领域的应用背景，着重介绍了水下爆炸气泡对结构的毁伤，以及空化气泡对结构的剥蚀。然后从实验、理论和数值三个方面阐述了气泡动力学的研究过程和最新进展，总结了已有的不足和存在的难点，包括计算域离散方法对脉动气泡的研究仍不成熟;气泡初始冲击波在不同类型物面和非定常气泡表面之间的多次反射特性和反射压力波对气泡运动的影响认识不清楚;近物面气泡坍塌运动与射流载荷特性研究不充分;近物面水下爆炸气泡射流载荷与三参数之间的关系缺乏系统地研究;水下爆炸气泡坍塌过程中船体梁的毁伤机理和临界毁伤条件尚不十分清楚。针对这些问题和难点，然后提出了拟开展的研究工作。
　　针对目前一些数值方法的局限性和气泡在不同阶段的动力学特性，提出相应的计算模型。对于气泡初始阶段，考虑流体的可压缩性，采用有限体积法离散守恒型的非线性可压缩Euler方程，计及流固耦合和空化效应，通过虚拟流体法处理界面处物理量强间断黎曼问题，并采用波前追踪法处理气液固交界面，建立了气泡冲击波载荷强间断计算模型。对于气泡脉动和射流阶段，由于气泡诱导的流场速度在大部分时间远小于流场声速，因此忽略流体可压缩性对气泡运动特性的影响，采用有限体积法和波前追踪法分别离散不可压缩的Navier-Stokes方程和追踪气液交界面，建立了气泡脉动及射流载荷特性计算模型。
　　采用一维激波管、二维水下爆炸气泡和空化算例对气泡冲击波载荷强间断计算模型的有效性进行了验证，然后针气泡初始冲击波在不同物面条件下的反射特性认识不清楚这一问题，在该计算模型的基础上，计及结构的刚、弹、塑性的影响，研究了不同距离参数下气泡初始冲击波在非定常气泡表面与刚性板、背水弹性板、背空弹性板、双层破口弹性板、浅水弹性板、单层曲率弹性板和双层曲率弹性等各类物面之间的多次反射特性，并对反射过程中伴随的透射和空化诱导特性，以及反射对气泡运动和弹塑性结构动力学响应的影响进行了分析。通过研究发现，压力波在物面与气泡之间来回反射会形成不同类型波（冲击波和稀疏波）相互交替的阶梯状波纹，且冲击波作用到刚性板和弹性板的压力峰值和卸载速度存在明显的区别，空化诱导的容易程度也会因距离参数和结构曲率的不同而出现显著的差别。而且还发现压力波在物面和气泡表面的多次反射对气泡初期的膨胀运动影响较小，因此也不会对气泡后期的坍塌运动造成太大的影响。
　　采用Rayleigh-Plesset方程和电火花气泡实验对气泡脉动及射流载荷特性计算模型从球形气泡理论解和气泡非球状运动进行了验证，证明了有限体积法结合波前追踪法模拟气泡的运动特性具有较高的精度。然后，针对近物面气泡坍塌运动与射流载荷特性研究不充分这一问题，采用该模型系统地研究了物面距离参数、浮力参数，自由液面距离参数和雷诺数分别对近物面气泡坍塌运动与射流载荷特性的影响，具体包括气泡坍塌变形、水层厚度、射流速度、径向射流、喷溅射流、环状气泡的撕裂、射流载荷等，并对其中的力学机理进行了分析。同时，在前人研究的基础上归纳了气泡射流不可穿透的临界条件。
　　针对水下爆炸气泡射流速度、射流高度、射流宽度和射流载荷缺乏系统地研究的这一问题，利用边界元在模拟水下爆炸气泡在射流穿透之前运动具有计算简单、高效和精度高的特性，系统地研究了气泡坍塌时射流在不同工况下的形成过程。通过总结和归纳射流规律，结合最小二乘法建立了表征射流速度、射流宽度和射流高度与药包质量、物面深度和爆距这三参数之间关系的数学模型。然后，在射流速度、射流高度和射流宽度数学模型与水锤理论的基础上，建立了水射流载荷与三参数之间关系的数学模型，为近物面水下爆炸气泡射流载荷工程预报提供指导。
　　针对水下爆炸气泡坍塌对船体梁的毁伤机理和临界毁伤条件还尚不十分清楚这一问题，一方面采用实验研究了小当量爆炸气泡与小尺度和中尺度船体梁的相互作用，同时结合耦合欧拉-拉格朗日算法(CEL)研究了小尺度和中尺度船体梁的总强度特性在不同药包距离下的差异性，并对其中气泡坍塌作用下的毁伤机理进行了分析。另一方面，从工程实际出发，系统地研究了不同药量和不爆距下实尺度船体梁的总强度特性，通过总结和凝练得出了实尺度船体梁总强度破坏的临界条件，为工程领域水下爆炸气泡对舰船毁伤的研究提供参考。