通气超空泡技术采用主动通气的方式形成包裹水下航行体全部或大部分表面的空泡,大幅度地减小了航行体的摩擦阻力,从而显著提高了水下航行体的运动速度,其应用价值已受到国内外学者的广泛关注。自20世纪中期以来,超空泡技术研究取得了巨大进展,然而仍存在部分科学性问题有待于更深入地研究。超空泡航行体在复杂运动状态下的多相流动特性问题包括:航行体沾湿区域对空泡尾流结构及航行体流体动力特性影响、周期性来流作用对超空泡多相流的影响、航行体转弯运动中空泡与航行体的运动一致性等。这些都是通气超空泡非定常流动研究领域亟需解决的关键科学问题。因此,本文针对通气超空泡典型非定常运动过程中的多相流动特性进行了系统地数值研究,主要研究内容如下:采用VOF多相流模型和RNG k-ε湍流模型,建立了通气超空泡非定常流动的三维计算模型。通过求解多相混合物的雷诺平均Navier-Stokes方程,得到通气超空泡流动中三相介质间的分布关系,并分析流域尺度对计算结果的影响。通过与实验数据对比,验证了数值模拟方法的有效性。基于通气超空泡非定常流动的计算模型,研究了通气超空泡航行体尾流结构的非定常演化过程。分析重力环境压差及航行体(后体)沾湿区域对空泡尾流结构的影响规律;通过对空泡尾部流场压力及涡量分布特性的分析,分别阐明空泡的双涡管和三涡管尾流结构的流动特性;给出空泡尾部涡管内气体质量流量比率、涡管内部涡量及压力的变化规律。基于通气超空泡非定常计算模型结合动态网格技术,建立了周期性来流的数值计算模型,并进行模型验证。数值模拟得到了周期性来流条件下的流场结构,分析流场下游给定流域的波长和波幅分布规律;研究周期性来流作用下通气超空泡非定常多相流动特性,发现超空泡在长波环境中的运动状态更为稳定,超空泡尾部的闭合形式在周期性来流的作用下呈现回射流闭合和双涡管闭合的交替变化;研究周期性来流作用下航行体的空泡形态和流体动力的变化规律。建立了通气超空泡航行体转弯运动的数值计算模型,将数值计算结果与基于Logvinovich独立膨胀原理的结果进行对比,验证了转弯运动模型中采用动态网格技术的有效性。基于转弯运动的计算方法研究了航行体的转向中心位置对沾湿区域的影响和转弯半径对通气超空泡形态及航行体流体动力特性的影响规律;利用空化器对空泡轴线的控制作用,提出使空泡与航行体在转弯运动中更好地保持运动一致性的具体方法,为超空泡航行体高效机动运动研究奠定了基础。