气泡动力学在船舶与海洋工程及生物医学领域具有广泛的应用,比较典型的有:水下爆炸气泡、螺旋桨空泡、船舶气泡减阻及超声波空泡清洗技术。自上世纪中叶以来,国内外研究学者对气泡动力学问题开展了大量的研究工作,并取得了丰富的研究成果,但针对“浅水爆炸”或者“水池爆炸试验”等有限流域内的气泡动力学问题,在自由液面和流域壁面的联合作用气泡的运动变得十分复杂,目前对于有限流域内的气泡运动规律及其载荷特性的研究仍缺乏有效的解决手段。基于此,本文基于不可压缩势流理论,建立了有限流域内的边界元气泡动力学模型,并结合电火花气泡实验和超声空泡实验方法,研究了有限流域内近自由面气泡的动力学特性,从中发现了一些新的物理现象,并获得了气泡的运动规律和流场载荷特性,一方面揭示了有限流域条件下气泡的演化过程和力学机理,另一方面旨在为相关工程应用的优化提供可行性参考和基础技术支持。基于质量守恒方程和动量守恒方程,利用格林公式,推导了边界积分方法的基本方程,并通过间接边界元方法求解由气泡运动诱导的流场压力载荷。在前人研究中,通常假设气泡周围的流场为无穷大流域,对于有限流域内的气泡动力学问题,流场壁面边界对气泡运动的影响需要计及。据此,本文提出了有限流域内气泡与自由液面的耦合计算方法,针对改进数值模型中出现的边界积分奇异性处理与气-液-固三相交界点速度求解等技术难点,分别提出了修正的4π法则和节点分离技术进行处理,并通过开展电火花气泡实验充分印证了数值计算模型的正确性和有效性。当气泡与自由液面距离较近时,气泡在运动过程中会与自由液面产生强烈的非线性耦合作用,气泡在坍塌阶段会产生远离自由面向下的高速射流,同时在自由面处产生很高的水冢。在有限流域中,由于竖直壁面对气泡与自由面的影响明显,在气泡膨胀阶段会在自由面处出现“水裙”,而在无限流域中,这种特征通常在气泡后期的环状运动阶段才会出现。通过讨论不同浮力参数和距离参数条件下气泡与自由面的耦合特性,获得了由有限域底部壁面的压力载荷特性与气泡周围流场中的压力分布规律。在此基础上,提出了有限流域内气泡在自由面破碎及双气泡与自由面耦合的轴对称数值模型,研究了气泡破碎后形成的破碎兴波特性,并发现了有趣的流域“露底”现象。研究表明,在双气泡与自由面耦合过程中,靠近自由面的上气泡运动周期明显小于下气泡的运动周期,且膨胀的最大体积也小于下气泡,同时在自由面处观察到“皇冠”型水冢,这些特殊的物理现象在电火花气泡实验中都得到了相应的验证。通过分析流域壁面距离的影响,得到了能忽略壁面对气泡运动影响下的临界壁面距离。当船体结构遭受水下爆炸冲击波载荷而形成局部的破口毁伤后,气泡载荷会对破损结构形成二次打击。基于该工程应用背景,建立了计及自由面效应的气泡与不完整结构边界耦合的数值计算模型,针对气泡壁无限接近破口边界而导致数值发散的难点,提出了流场分割模型,分别对破口壁面上方和下方的流场区域进行单独计算求解。当浮力效应对气泡的影响较小时,自由面会诱导气泡产生向下的射流,而破口壁面会诱导气泡产生向上的射流,本文对不同特征参数下产生的向上射流、向下射流与对射流三种典型射流特征进行了研究,总结了气泡在上方自由面和下方破口平板联合作用下的运动规律与射流载荷特性,初步解决了浅水爆炸中气泡对破损结构进行二次打击的计算问题。空化是造成船舶螺旋桨剥蚀的主要原因。据此,本文采用超声空化实验方法,系统研究了高强度聚焦超声场中空化气泡群的运动规律及声场压力载荷特性。研究表明,空化气泡群在超声流场中呈现层状分布特征,且气泡层的间距取决于超声波的频率。通过对比不同声波频率下气泡层间距的实验值与理论值,发现误差均不超过3%。追踪空泡的运动轨迹发现空泡之间存在吸引、排斥、相对稳定三种典型的运动状态,当空泡之间相互吸引并发生融合时,空泡体积增大,随之增大的浮力容易使空泡向靠近水面的气泡层跳跃。最后,借助红外温度计和红外相机探究了弹性材料在超声波流场中的破坏形式和机理,发现高强度聚焦超声对弹性材料的破坏是通过热机制产生的,本章的研究结论进一步揭示了超声空化现象中空化气泡群的运动规律和力学机理,旨在为超声空化的工程应用提供参考。