近些年来,在船舶与海洋工程领域水下高速航行体的研究越来越受到关注,准确的预测航行体的水动力性能和弹道变化是关键技术之一。航行体在水下高速运行时,在局部会产生空化现象,空化作用下的航行体出水是一个复杂的物理过程,涉及到液、汽、气三相间的相互作用和物态转化,同时伴随着高频载荷对结构的冲击,易造成结构的破坏。本文采用计算流体力学(CFD)方法对考虑空化作用下的高速航行体出水载荷进行研究,利用数值仿真获得航行体的水弹道、载荷变化规律,对于船舶与海洋结构物的设计和优化提供技术支持。首先,基于粘性不可压理论,采用CFD方法,引入了 Zwart-Gerber-Belamri空化模型,建立了高速航行体出水空化的数值模型。应用该模型对航行体空化特性的进行数值模拟研究,并与实验值对比,验证了模型的准确性。然后,采用此模型分别对轴对称、有攻角情况下的高速水下航行体进行定常空化研究,总结空泡形态变化规律,分析其水动力性能。其次,采用90°锥形头的航行体进行垂直出水实验,与数值模拟结果进行对比,验证在非定常空化问题中该数值模型的准确性。然后对二维轴对称航行体出水空化这一非定常问题进行研究,得到了在水下运行和穿越水面两个阶段不同时刻航行体表面的空泡形态,提取了典型节点压力的时历曲线,对空泡溃灭进行机理性研究。最后研究了不同发射速度对航行体载荷和空泡的影响规律。再次,针对给定攻角的航行体进行空化出水头部载荷研究,讨论攻角与迎背流面空泡溃灭载荷、溃灭时间的关系。然后建立航行体的多自由度的三维出水模型,研究考虑空化作用下的航行体的出水弹道、载荷变化和出水姿态。在此基础上,又研究了空化因素和横向速度对航行体出水载荷和运动状态的影响规律,为工程中实际的海洋结构物设计提供参考。最后,分别基于线性波理论、Stokes波理论,运用速度边界法模拟波浪,通过模拟值与理论值的对比,验证方法准确性。在此基础上,建立三维数值波浪水池,分析在5级海况下考虑空化作用的航行体水动力性能和出水姿态。然后,对比分析波浪等级和相位对航行体所受载荷和运动姿态的影响规律。