高速跨介质航行器是一种具有前景新型海洋装备。它的工作环境较为复杂，涉及空化相变、空化湍流、多相流以及各相流体可压缩性。这四方面因素中仍然存留着前沿科学问题有待解决，但是作为重要研究手段的数值模拟技术受制于各大商业与开源软件未能提供良好求解器的现状。因此，开发用户自定义的求解器将为高速跨介质航行器相关科学问题的研究提供重要支撑工具。为此本文参考了开源软件OpenFOAM中多个现成求解器的实现方式，在其框架下开发了一款针对非定常空化流动的多相可压缩求解器PBCavitatingFoam。它采用了可压缩形式的压力-速度耦合算法，包含有多种空化模型，能够进行大涡模拟。该求解器首先完成了适用性验证，并在接下来被应用于空泡脱落机制以及自由面-空化相互作用这两个前沿问题的研究中，主要包含以下几方面工作：
（1）通过三个简单的基本算例对求解器各方面的功能进行验证。其中，以一维激波管算例对求解器基于压力的可压缩性算法进行验证，以液体中单气泡的脉动算例对求解器的多相流模拟功能进行验证，以圆柱空化绕流算例对求解器的空化相变模拟功能进行验证，并且以弹体入水算例验证了求解器综合模拟多种效应的能力。在以上的验证算例中，求解器均能够与精确解或文献中的数据较好地吻合，因此证实了求解器具备良好的适用性。
（2）非定常空化流动中是否存在与可压缩性相关的空泡脱落机制是当前的一个前沿问题。为此，本文以锥头回转体空化绕流为例，使用PBCavitatingFoam进行数值模拟，并通过基于霍普金森杆与高速摄影的实验开展对比分析。对比结果表明，数值模拟能够正确预测空泡形态随时间的演化过程，并给出无量纲空泡长度-无量纲时间图线的趋势，同时区分出空泡演化的四个阶段。回射流与压力波导致的空泡脱落机制出现在不同的阶段，两者的主要区别在于空泡后缘与回射流前缘的空间关系。通过对比不可压求解器的模拟结果，这种区别受到了进一步分析，由此证实了PBCavitatingFoam能够模拟空化流动中压力波主导的空泡脱落。此外还讨论了不可凝结气体的作用以及二维轴对称化简的可行性。
（3）针对同时包含多相流与空化相变的NACA 0015水翼近自由面空化绕流问题，首先以量纲分析法推导了包括弗劳德数、攻角、浸深比以及空化数的主控无量纲数。其次，通过深水工况开展了网格无关性验证以及与实验数据的对比，说明了数值计算的合理性。接下来阐述了四种自由面-空泡流态，包括伴随空泡体积增大的自由面上升，脱落空泡上浮溃灭导致的自由面射流，伴随高频涡流扰动的自由面波纹，不伴随空化的液面上扬。最后以弗劳德数与浸深比为主，讨论了主控无量纲数对升力系数、阻力系数、升阻比以及频率的影响，发现这些参数对主控无量纲数变化的敏感程度不同，并且空化数的变化能够使参数的变化规律发生本质的改变。