空泡与自由面的相互作用通过多种耦合机制显著影响水下发射航行体的流体动力特性与结构载荷分布。空泡非定常脉动与溃灭行为不仅会产生瞬时冲击波，对航行体表面造成损伤，还会加剧自由面的扰动。自由面在空泡作用下产生显著的大变形、破碎与飞溅等耦合现象，形成复杂的二次载荷，进一步影响航行体的运动稳定性和载荷分布。因此，研究空泡与自由面的相互作用，对于准确预测航行体出水过程的动态载荷具有重要意义。故本文的主要研究内容如下：

(1) 空泡与自由面强耦合作用机制研究

本部分基于气-液光程差补偿原理发展了一套联合观测的实验方法，解决了小景深拍摄条件下空泡与自由面无法同时聚焦的关键问题。通过针式水听器监测压力波与拉伸波时间差，结合压力波在水中的传播过程声速更为准确的获取了无量纲距离γ，提高了无量纲距离γ这一关键参数的测量精度。

本文通过数值模拟揭示了空泡破碎机制与通气演化特性，给出了空泡破碎通气的流态相图。结果表明：近自由面空泡初始膨胀发生破碎行为是由于空泡壁面上发生Rayleigh-Taylor不稳定诱导的。根据空泡的演化行为，本文总结了三种自由面飞溅流态：准静态闭合(飞溅水层不闭合)、浅闭合(飞溅水层近似闭合)与表面闭合(飞溅水层闭合)现象。结合运动定律对飞溅液层进行分析，发现空泡发生表面闭合行为主要是由于水层两侧的压差力决定的。水层闭合时间与环境压力之间近似满足t~ p^-0.96幂律关系，该幂次律与入水问题(t~ p^-1)十分接近。本文针对飞溅水层表面闭合行为提出了一套轴对称解析模型，通过该模型发现飞溅水层的横截面积是空泡体积变化率与飞溅水层通路横截面积的函数，该函数只与无量纲距离γ有关，始终与时间无关。

(2) Rayleigh-Taylor不稳定性诱导近自由面空泡局部通气机制

本部分通过前向照明拍摄方式发现了一种新型通气现象，该现象介于空泡开口与环状溃灭行为之间，定义为局部通气现象。随着无量纲距离γ的增加，发现并总结了三种空泡运动学行为：(i)完全通气现象、(ii)局部通气现象以及(iii)不通气现象，三种行为主要通过空泡内部暴露于外界大气进行区分。本部分通过实验观测、直接数值模拟与理论建模对局部通气现象进行了分析。结果表明：空泡的局部通气现象是由于Rayleigh-Taylor不稳定性诱导的。空泡发生局部通气现象的无量纲距离γ和无量纲空泡开始通气时间t_v^'存在明显的上界限与下界限。基于流体无旋不可压缩假设，并且考虑粘性和表面张力对于扰动的影响，提出了一套理论解析模型，主要包括界面小扰动模型与空泡振荡模型。通过该理论模型，获得了局部通气现象的无量纲距离γ和无量纲空泡开始通气时间t_v^'界限。理论模型结果与数值模拟、实验观测结果吻合较好。

(3) 粘性对于近自由面空泡局部通气现象的影响规律

本部分进一步参数化分析了粘性、无量纲距离以及空泡尺度对空泡通气现象的影响。结果表明：粘性能够抑制不稳定诱导的界面扰动的演化过程。界面扰动波数随着γ先迅速减小、后缓慢减小并趋于平稳。粘性能够抑制完全通气与局部通气现象的发生。随着粘性的增加，局部通气现象γ的上界限、下界限、γ范围、t_v^'的范围以及t_v^'的上界限均逐渐减小，而t_v^'的下界限则随着粘性的增加而增大；随着粘性的增加，完全通气现象的γ上界限逐渐降低，而t_v^'则随着粘性的增加而增加。另一方面，粘性对于扰动增长的抑制作用，间接延迟了空泡开始通气的时间，导致了空泡从完全通气阶段向局部通气阶段的过渡。本部分得到了局部通气现象中粘性R_e、无量纲距离γ与无量纲空泡开始通气的时间t_v^'之间的标度率关系：t_v^' = (10⁷ R_e^-2.12 + 2.0)(γ - 0.176) 。研究发现，空泡通气质量主要由于空泡的通气通道的横截面积S_vent而决定。通气质量随γ呈现先增加后减小的趋势，随着粘性的增加而减小。

(4) 空泡对背气壁面的损伤机制研究

本部分采用实验观测讨论了不同浸湿状态、截面抗矩、环境温度以及材料类型对于空泡连续冲击壁面诱导的结构损伤。结果表明，半浸湿状态下，自由面对于弹性金属板的弱约束作用会导致金属板拉伸周围流体形成空泡群。空泡群增加了空蚀发生范围，但是削弱了激光空泡多次冲击的空蚀损伤。小截面抗矩状态下，金属板抗弯能力较弱，空泡的膨胀与收缩过程会诱导金属板发生弹性变形，空泡周围的流场与γ发生变化，空泡空蚀作用会更弱。温度升高能够加剧空蚀损伤过程，金属板材料硬度越低，温度对于空泡空蚀过程的影响越明显。材料的硬度越高，其抗空蚀能力越强。