小型高速水面航行器是维护国家海洋权益的重要载体形式，其核心问题为通气空泡流态的稳定性。在高速条件下，空泡的非稳态演化甚至溃灭会产生强烈的压力脉动，严重影响航行器的操纵稳定性和结构安全，已成为水面航行器速度提升的首要障碍。因此，揭示通气空泡流态规律及流态转变机制，寻找稳定流态对应的航行器设计和运行区间，对于高速水面航行器研制和未来创新概念发展，均具有重要的意义。

基于已有的约束发射实验台，中科院力学所研究团队发展了一种切割自由面水翼实验观测技术，大大拓宽了弗劳德数研究范围。

通过开展不同主控参数（速度、攻角、浸没深度）下的切割自由面水翼系列实验，复现了前人所观测到的全湿流态（图1）、全通气空泡（图2），发现了水翼高速切割自由面时会出现一种非定常演化的相变空泡现象（图3）；获得了全湿、全通气空泡、相变空泡三类流态的相图（图4），揭示了从全湿到全通气空泡流态转变的两种机制，即梢涡诱导通气机制、相变空泡诱导通气机制，并提出了相变空泡诱导通气形成的条件。此外，考虑自由面和小展弦比的影响，建立了基于升力线理论的空泡长度预测模型，获得了不同流态的分区准则并得到了实验结果的验证。

研究结果表明，通过合理的参数选取，能够使切割自由面水翼形成稳定的全通气空泡流态，达到增升减阻的有益效果。相关研究支撑建立了一种切割自由面水翼的二维超空泡翼型、三维变截面水翼的设计方法，并应用于高速水面航行器原理样机研制。

相关工作发表在Physics of Fluids，论文第一作者为黄仁芳副研究员，通讯作者为王一伟研究员。该工作得到了国家自然科学基金青年科学基金（No. 52006232）和优秀青年科学基金（No. 12122214）等项目的支持。

图1 全湿流态

图2 全通气空泡流态

图3 相变空泡及其诱导的通气现象

图4 切割自由面水翼流态相图