在工业生产过程中,高效的清洁设备必不可少。在绿色发展理念之下,由于化学清洁对环境不友好,因此研发高效率、低污染的物理清洁设备是未来相关领域的发展方向。空化射流是将水力空化与高压射流相结合的一种新型清洁技术,利用空化效应产生的能量进行物体表面的清洁。水射流作为空化发生的载体,通过特定的空化喷嘴产生空化初生,进而发展成为空化泡集群,空化泡群随射流运动至目标区域后溃灭,空泡在溃灭时会产生高温高压并伴有强烈的冲击。然而,若空化射流直接进入大气环境,射流的空化效应将迅速衰弱,空化产生的冲蚀能量难以被充分利用。空化射流的应用范围目前还被局限于淹没条件下。针对这一问题,本文将对空化流场进行仿真以及试验研究,分析空化射流特性,研制新型空化喷嘴,提高射流在非淹没条件下的空化效应。首先对空泡的运动方程进行分析,确定仿真计算所适配的求解器,完成数值模拟所需要的前处理过程。包括空化喷嘴物理模型的设计建模及网格划分;确定空化喷嘴流场所采用的各项边界条件和参数范围;对仿真计算所需要的湍流模型、多相流模型以及空化模型的选择比较。其次,对角型喷嘴进行数值模拟。通过控制变量法分析角型喷嘴的各项几何参数对射流空化效应的影响。仿真表明射流经过角型喷嘴喉管时产生的离散旋涡,以及喷嘴扩张段中形成的低压区域是射流产生空化效应所必须的条件。计算非淹没条件下的角型喷嘴流场,分析不同喷嘴外环境以及系统压力对射流空化效应的影响,验证非淹没条件下喷嘴空化效果的局限性。然后,以角型喷嘴为基础进行新型空化喷嘴的设计研发。基于空化旋涡的增长过程,在空化喷嘴中添加辅助射流结构。辅助射流相当于延伸喷嘴扩张段壁面,使喷嘴内部产生的离散旋涡可以在空气域中继续发生。对新型空化喷嘴流场进行仿真计算,在相同的参数条件下,新型空化喷嘴在空气域中的蒸汽相体积分数较角型喷嘴取得了明显提升。最后,制作新型动态淹没喷嘴实物,对喷嘴进行射流特性与冲蚀试验测试。测量喷嘴的射流打击力,试验表明动态淹没喷嘴在出口附近形成负压区域,;对油性笔涂层进行清洗试验,表明与普通高压射流相比,空化射流具有独特的清洗原理;对铜片以及锈蚀铁片进行冲蚀试验,表明非淹没条件下,动态淹没喷嘴使空气域中的射流空化效应得到了增强。