高速气流中液滴的变形与破碎是两相流体力学研究中的经典课题,具有丰富的工程应用背景。本文利用实验观测激波诱导气流中液滴变形和破碎过程,并通过数值模拟与理论分析,揭示液滴变形的流动机理以及流动参数对液滴变形的影响机制。主要工作和结论包括如下三个方面:首先,利用激波管平台系统化地开展大量液滴破碎实验(We> 350),并以高速摄影对激波诱导气流中液滴的变形和破碎进行观测。实验图像清晰地揭示了液滴在破碎初期的大量变形细节,如整体的扁平化、迎风面的细碎波以及背风面的环状突起等。通过调节来流和液滴参数,液滴在不同来流密度、来流Mach数、外流Reynolds数,以及不同液体粘性条件下的变形规律得以呈现。实验结果表明,在相近的Weber数条件下,液滴破碎整体上服从相同的机制,但其破碎初期的变形表现出多种不同的形态,其差异主要体现于背风面环形突起。通过解耦内外流,本文分别研究液滴外围气流流场的发展特征与液滴内部流动导致液滴表面突起变形的机理,并通过理论获得“剪切诱导液滴表面堆积”和“正压力诱导液滴径向变形”两种机制下液滴表面的径向加速度表达式。对比结果表明,液滴表面压力的分布不均为环形突起生成的最主要诱因。已知外流场条件下,通过理论可对破碎初期液滴的变形进行预测,其突起位置与相对幅度与实验结果高度吻合。其次,通过研究多条件下外围流场的发展特征,对液滴破碎初期的多种变形形态的形成进行解释。激波扫过液滴后,背风面迅速形成一个低压区域,其持续时间与外围流场发展的特征时间近似成正比。因此,外围流场发展的特征时间与液滴变形特征时间之比,决定了该低压区域在整个液滴变形过程中的贡献程度,因而很大程度上决定了液滴的变形形态。此外,在其它参数不变的条件下,气流Mach数的提高倾向降低整个回流区的总压,从而削弱液滴背风面的压力梯度,抑制环形突起的生成。外流Reynolds数的提高增加了流场的非定常性,使回流区产生涡系振荡,从而增加环形突起的数量,同时抑制每个突起的幅度。液体粘性(Oh数)的增加总体上抑制了环形突起的发展,但不改变相同时刻突起的位置和特征。最后,本文基于所得实验图像和数据,对比考察了现存多种液滴破碎模型。基于液滴扁平化数据的考察表明,液滴变形初期扁平化速率与Burgers理论预测吻合较好,随后液滴粘性和表面张力的影响逐渐显现,实验结果转而向TAB模型靠拢。针对相对较高Mach数来流下液滴背风面总压的降低,本文对Burgers扁平化理论的公式进行了可压缩性修正。对液雾形成机制的考察表明,液滴赤道附近的液雾在较低和较高Weber数区间内分别服从“薄层细化”机理和“剪切剥离”机理。在接近SIE-RTP临界Weber数的条件下,甘油液滴的表面会形成剥离的薄层,但由于粘性作用,液雾产生时间远高于理论预估。