气体射流在航空航天、化工、冶金等领域广泛存在。空气中气体射流已得到广泛和深度研究,水下喷流现也已受到高度的重视,两相流、气液间强烈的相互作用以及流动不稳定性等复杂问题现已成为该课题研究的重点;尤其对于在超声速工况下的水下射流,由射流内部复杂波系与气液掺混的耦合作用而导致的流动不稳定性问题变得更加复杂,其研究包括实验和数值研究都有待继续深入。　　 本文以实验研究为主和数值计算为辅对准二维水下超声速过膨胀垂直射流流场进行了研究。主要工作和研究结果包括:(1)通过应用Fluent和相关理论对纯气相过膨胀射流进行了预分析,射流核心区存在复杂激波系;(2)通过建立一套操作方便、重复性好的水下准二维垂直喷射实验系统可视化研究了垂直射流的动态变化特性,在理论计算出的射流核心区段发现了激波反馈现象和胀鼓不稳定性形貌;(3)通过对激波反馈的实验统计分析表明,在过膨胀工况下,激波反馈事件的发生平均频率和平均强度随射流的过膨胀程度的减小和射流马赫数的增大而发生明显衰减,而单一激波反馈事件的强度存在无法调和的随机性;(4)通过对比分析自由液面和非自由液面工况下的激波反馈特性,发现射流主体段的非自由液面的限制发展对核心区的不稳定性无明显影响;(5)对于水下超声速垂直射流核心区发生高频低幅的胀鼓现象和低频高幅的激波反馈现象进行关联性探讨,发现二者之间存在紧密力学相关性;(6)通过量纲分析总结出了表征水下超声速射流的无量纲准数:修正弗鲁德数Fr1、欧拉数Eu、修正斯特鲁哈数(pl/pg)1/2St,并通过实验进行了证实和描述。(7)实验分析描述了射流主体段的自由紊动射流区,探讨了主体段的偏摆特性。　　 本论文的研究深入了水气相互作用的力学特性、丰富了气液两相流的学科内容,为今后进一步的研究工作打下坚实基础。