当前，海洋装备领域对高速、高机动性跨介质航飞器存在迫切需求，航飞器在穿越水气自由面过程中的减阻增效成为高速水动力学研究的前沿方向。表面通气减阻技术通过人工注入不可凝结气体形成稳定通气空泡，可显著降低摩擦阻力，并抑制自然空化的周期脱落，为水下高速航行提供了革命性解决方案。然而，跨介质航飞器在近水面高速运动时涉及多相耦合、自由面波动与空泡非定常演化等复杂流动物理过程，其流态转变机理的揭示与稳定性控制仍存在诸多挑战。因此，开展通气状态下的空化流动研究具有重要科学意义和工程应用价值。

本文针对跨介质航飞器两个关键部件 ——切割自由面水翼与均压排气回转体的多相多介质耦合流动机理问题开展研究。详细介绍了实验模型参数、实验步骤、实验条件和数据处理手段，并基于约束发射实验平台和水平发射系统，开展了相应的机理性实验。同时，为获取通气空泡流场特征数据，进而揭示流态转变过程中水动力演化规律的内在机制，基于大涡模拟方法和VOF界面捕捉技术构建了三相空化流动模型，并对其可靠性开展了验证。数值计算得到的通气空泡形态、关键部件的水动力性能等都与实验结果吻合较好。

在切割自由面水翼的自然通气空泡形成机理方面，本文开展了不同参数（速度、攻角、浸没深度）下的水翼割划自由面系列实验，观测到了完全湿润、完全通气与相变空泡三种稳定流态，并给出了不同流态的相图分区信息。基于实验还获得了相变空泡耦合自由面与梢涡空泡诱导的两种通气模式：（1）当相变空泡边界与凹陷自由液面之间的水层厚度接近于零时，界面将发生失稳导致空气与空泡内部连通，形成相变空泡耦合自由面的通气模式；（2）梢涡空泡尾端与大气连通时，空气在梢涡内部形成逆向输运，当输运速度超过水翼前进速度时，形成梢涡空泡诱导的通气模式。结合精细化的数值模拟，获得了流态转变过程中水动力演化规律以及速度场、压力场的演化特征。在流态转变过程中，水翼所受水动力会出现显著的突变，升力损失可超过50%。基于实验和数值模拟结果，建立了修正的升力线理论模型以及自由液面凹陷深度的物理模型，两种模型具备能够准确预测相变空泡形态以及自由液面凹陷深度的能力。同时，给出了相变空泡诱导通气的判据，为切割自由面水翼流动稳定性评估提供了定量分析工具。开展了几何构型影响分析，发现钝尾缘构型更有利于通气空泡的形成。三角翼截面顶角变化可以明显改变水翼吸力侧的压力分布，影响空泡流场的演化。

针对水下均压排气回转体的通气空泡流动问题，设计了一种航行体头部外形和通气量可调的组合式实验模型。采用量纲分析方法，推导了影响通气空泡多相流动的主要无量纲参数。研究分别从头部构型、空化数、无量纲体积比和无量纲驱动力四个方面，对通气空泡形态和稳定性开展实验和仿真研究。将通气空泡流态演化分成快速增长、周期脉动以及稳定波动三个阶段，获得了连续透明状、间歇透明状以及泡沫状三种典型流态，并分析了不同流动阶段的通气空泡形态特征以及流场的演化特性。研究发现，回射流强度与通气量是影响流态转变的主控因素；因回射流作用脱落的空泡会随主流输运到回转体尾部，从而影响尾空泡的脉动频率与脉动幅值。水动力性能分析表明：摩擦阻力大小主要与通气空泡形态有关；尾空泡产生的高压脉冲效应使得压差阻力在总阻力中的占比超过90%。结合理想气体状态方程，建立了回转体空腔内部压力与主控参数的函数关系。在几何参数（L/D和A_a/D²） 固定条件下，基于数值模拟结果，采用量纲分析方法建立了平均无量纲空泡长度的半经验公式，获得了通气空泡达到稳定波动阶段时排气量占比的预测公式，明确了不同流动阶段之间转变的判据。最后，针对尺度效应问题开展研究，证实当模型尺寸放大至16倍时，相似准则仍可适用，这也为实尺度均压排气回转体在实际工程中的设计和流量控制提供了理论依据。

本文发展的实验观测技术、理论分析模型及数值模拟方法，为复杂多相流动研究提供了新的技术手段。上述成果已成功应用于跨介质航行器水翼与回转体优化研究中，为高速水下装备减阻增效与运动稳定性控制提供了理论支撑和工程指导。