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水翼绕流的水动力特性及其空化流动机理的研究对提高水力机械的空化性能及其运行稳定性具有重要的工程意义及应用价值。本文分别通过实验研究与数值计算的手段对三维水翼绕流流场及空化流动进行了深入研究。首先,通过水翼空化水洞实验成功捕捉了初生空化、片空化、云空化、超空化阶段空化形态及各阶段空穴结构的周期性变化。实验捕捉了初生空化时翼型头部微小空穴及其产生-增长-脱落-压缩-溃灭的发展过程;附于翼型表面的片空化只在小攻角条件产生,随时间逐渐增大,演变为从尾部开始与水翼表面部分脱离形成云空化。随空化数的进一步降低,水翼空化流动进入云空化阶段,小攻角条件下云空化产生于翼型头部,随空化数降低,空穴逐渐增大;大攻角条件下,在翼型头部和尾部同时存在云空化的周期性脱落,且翼型尾部流场出现空化涡街,继续降低空化数,空化区完全覆盖翼型上表面并延伸至流动下游,与主流区域间形成明显分界面,即为超空化现象。针对三维高雷诺数湍流计算,基于格子Boltzmann方法(LBM)Chapman-Enskog多尺度分析和大涡模拟(LES)思想,引入考虑湍流特性的等效松弛时间概念,联合LBM单松弛模型与LES亚格子尺度应力模型,构建了 LBM-LES耦合模型,对雷诺数Re = 2.5×104的三维水翼绕流进行数值计算,不同攻角流场流动特性及旋涡数量、位置和尺度的计算结果与水翼绕流实验结果吻合性较好,且数值方法能捕捉实验中难以捕捉的小尺度涡。并对压力系数和升阻力系数进行了定量定性分析,所有结果均验证了 LBM-LES模型对水翼湍流计算的可行性与准确性。针对气液两相大密度比的特点,基于Carnahan-Starling(C-S)气体状态方程对立方型气体状态方程斥力项修正而具有高计算精度的优势及其采用适当的粒子间相互作用势计算方式,将C-S气体状态方程与Shan-Chen模型耦合,构建了三维空化流SC-CS(Shan-Chen-Carnahan-Starling)模型,并成功预测了不同温度下三维相分离过程,获得超过2×104的气液相密度比,通过Maxwell等面积曲线分布验证了该模型对空化数值研究的适用性,并将空化流SC-CS模型成功应用于三维气核空化的发生发展和收缩溃灭及复现过程,计算结果符合能障理论。温度、气核内外压差和气核初始半径等影响因素研究表明,气核空化过程中温度越高,内外压差越大,空化越容易发生,且气核膨胀速度越快;气核收缩溃灭过程中半径变化规律相似,气核越小,溃灭速度越快。将空化流SC-CS模型进一步应用于水翼空化三维绕流,开展了液体内存在的气核从液体中析出形成空泡的非均质空化和翼型上表面低压区相变引起的均质空化研究。非均质空化模拟了水翼流场中存在的气泡当与液相压差足够克服表面张力作用而发生空化再收缩溃灭的过程。均质空化模拟了翼型前缘附近低压区相变产生的初生空化发生发展脱落溃灭过程。通过相关工况均质空化计算与空化实验结果对比,得到了基本一致的空化发生位置、发展溃灭过程及溃灭位置,验证了三维空化流SC-CS模型对模拟复杂边界条件下复杂流场空化的有效性,拓展了 LBM应用领域。为提高三维水翼绕流及三维空化流动计算效率,采用MPI消息传递接口,通过C++语言程序编写,建立基于三维空化流SC-CS模型的并行算法,通过并行效能分析得到针对本研究的数值模拟采用5个进程进行的并行计算执行时间最短,加速比最大,且具有较高的通信效率。