空化水射流的基本原理是将水射流技术与空化效应相结合,通过设计特殊的喷嘴结构诱发射流产生空化泡,空化泡随射流运动到壁面附近时发生溃灭,产生的微射流和冲击波对物体表面产生强大的破坏作用。空化水射流技术因具有冲击能量强、工作压力低、绿色环保等优点在深井钻探、清洗除锈、金属表面强化等领域具有广泛应用前景。本文基于理论分析、数值模拟和实验研究对缩放喷嘴、风琴管喷嘴和角型喷嘴空化水射流特性进行研究。基于水射流理论,确定喷嘴结构。基于多相流模型、空化模型和湍流理论,对风琴管喷嘴流场进行数值模拟,优化扩散段结构,得出风琴管喷嘴当扩散角为25度时空化射流效果最好。对三种喷嘴的空化水射流流场进行数值模拟,得到了三种喷嘴的速度分布、流线分布、湍动能分布和压力分布。结果表明,缩放喷嘴的射流剪切发生在缩放喷嘴出口腔内,风琴管喷嘴和角型喷嘴发生在喷嘴出口附近,缩放喷嘴产生的射流剪切最剧烈。从射流速度分布看,缩放喷嘴的射流速度最低,分布半径最大,三种喷嘴的射流速度,在距离出口小于8mm时风琴管喷嘴最高,大于8mm时角型喷嘴最高。利用高速摄像技术对相同工况下三种喷嘴产生的空化云进行拍摄,采用帧差处理法对空化云的溃灭和生成进行分析。研究发现,三种喷嘴产生的空化云均存在初生、发展、脱落、溃灭四个周期性发展规律,但三种喷嘴产生的空化云在尺寸、脱落形态、溃灭周期方面存在差异,缩放型喷嘴的溃灭云团尺寸最大。在相同工况下对三种喷嘴进行铝块空蚀实验,结果表明,三种喷嘴的空蚀形貌均呈现环形分布。随着射流靶距的增加,三种喷嘴的空蚀能力先增强后减弱,空蚀能力均在45mm时达到最佳,缩放喷嘴的空蚀能力最强。在最佳靶距下对三种喷嘴进行不同时长的空蚀实验发现,随着空蚀时间增加,空蚀环外径增大而内径减小,空蚀质量损失及空蚀面积等均呈现不同的增长趋势。对三种喷嘴进行不同时长的除锈试验发现,缩放喷嘴的除锈效果最佳。通过上述研究,探讨三种喷嘴的空化水射流流动规律及空蚀特性,可为不同结构空化喷嘴的形成机理分析提供借鉴,同时也可为空化水射流技术的高效利用提供理论指导。