空化是流场局部压力降低导致局部空泡产生的过程。工业上利用空化特性的实例不在少数,但空化带来的负面影响也不可忽视。在水动力学领域空化的研究主要集中于空化的负面影响,不管是泵、水轮机还是螺旋桨,稳定的片空泡通常不会带来严重的影响,空泡一旦失稳,就会产生振动、噪声、空蚀等一系列问题。在各种空化类型中,云空化具有强烈的非定常特性,其危害也最大。因此,进行有关云空化机理及其控制方法的研究具有重要意义。本文首先对空化机理及空化控制方法的研究现状进行简单介绍。目前,在空化机理研究过程中,主要研究空泡从初生到溃灭的非定常过程。空化控制方法,主要分为主动控制方法和被动控制方法。为更好的理解空化发生机理及其控制方法,本文选取几何结构简单的水翼模型进行研究,探索改善或控制水翼云空化的方法。为基于翼型与叶栅升力理论的水力机械抗空化设计提供参考。本文以NACA 0015水翼为研究对象,对三维水翼非定常云空化过程进行数值模拟研究。在水翼云空化研究基础上,通过了解鱼类游动特点,发现以鲔科模式推进的鱼类具有良好的水动力学性能。鲔科模式推进的鱼类典型特点是其尾部提供动力,并且尾鳍通过改变与水流的攻角实现对水流的控制。对旗鱼进行数据提取后,发现其尾鳍剖面为对称翼型结构,并且鱼类尾鳍表面存在倾斜的鳍棘结构。基于此生物学特点和形态仿生学观点,在水翼吸力面布置仿生鱼类尾鳍鳍棘结构,探究其对水翼云空化过程的控制效果,并在此基础上研究了仿生结构位置和高度对云空化过程的影响。本文基于前期对国内外空化研究现状的分析,主要采用数值模拟的方法进行研究。采用SST k-ω湍流模型和ZGB空化模型,通过引入密度函数,解决模型中对两相区内的湍动能粘度系数μ_t估计过高的问题,数值模拟结果与实验值吻合良好,验证了数值算法的可靠性。本文对水翼云空化流动以及基于仿生学思路的空化控制研究主要包括以下内容:(1)研究了三维NACA 0015水翼,攻角为8°,空化数分别为0.6、0.8和1.0时的空化流动以及不同空化数下水翼升阻力系数、吸力面压力变化情况。发现在一个完整的云空化周期中,压力波动存在两个明显的波峰。说明云空化空泡脱落过程中不是直接溃灭,而是存在空泡拉伸到压缩再拉伸溃灭的过程。分析了云空化过程中U型脱落结构的成因,以及空泡脱落过程中存在的二次压缩过程。通过对水翼展向截面的压力分布及速度矢量图分析,发现弦向和展向的射流强度不同,这种展向压力分布的不均匀性导致了云空泡脱落时的“U”型结构空泡的形成。(2)基于仿生学思路,在NACA 0015水翼吸力面布置仿鱼类尾鳍鳍棘结构,对弦向位置分别为0.2c、0.3c和0.5c三种情况进行非定常云空化数值模拟研究。通过对升阻力系数进行频谱分析,发现在弦向0.3c处布置鳍棘结构,此时的云空泡脱落周期变长,空泡体积相比之前减少近60%,控制效果最佳。为进一步解释其控制机理,对水翼云空化过程的湍动能进行分析,发现在布置鳍棘结构后,有效地降低了表面的湍动能,优化了流场结构。通过对云空化流动进行涡动力学分析,发现在布置鳍棘结构后可以有效地增加其涡拉伸项,对空化起到了控制效果。(3)在对鳍棘结构位置参数研究的基础上,对鳍棘结构高度参数进行研究。分别对仿生结构高度为1%c、1.5%c、2%c、2.5%c和3%c的5种高度进行非定常云空化流动研究。结果发现,鳍棘结构高度为2%c时,水翼可获得最大升阻比,相比未布置鳍棘结构水翼升阻比有所提升,空泡体积减少近60%。说明布置鳍棘结构后,优化了水翼在空化状态下的受力性能。通过对空泡体积变化的分析,发现在鳍棘结构高度为2.5%时,空泡体积减少近62%,对空化的控制效果最佳。