液滴撞壁现象广泛存在于自然界和工业领域中。在小型燃烧室内,高速喷雾液滴不可避免碰撞壁面,影响燃烧效率和污染物排放。研究液滴撞壁问题不仅能够丰富自由界面气液两相流动及传热理论体系,而且对喷雾技术的工程应用具有重要指导意义。本文采用实验、数值模拟和理论分析相结合的方法,分别对液滴碰撞干壁面和湿壁面动力学及传热机制进行了研究,主要工作和结论包括:(1)构建了液滴撞壁实验系统,实验研究了液滴碰撞干壁面和湿壁面运动形态的演变过程,发现当液滴的碰撞速度在0.2 m/s<U0<0.9 m/s范围内,表面波的作用明显。探讨了液滴碰撞速度、初始直径、液滴物性、壁面材料等参数对撞壁过程的影响,分析了液滴碰撞干壁面和湿壁面间运动形态和撞壁特性的差异;较之于液滴碰撞干壁面相比,液滴碰撞湿壁面后二次雾化液滴的尺寸较大,但飞溅液滴所具有的动能较小,最大铺展系数的碰撞速度效应较明显,但最大铺展速度的碰撞速度效应较小。基于能量守恒方程和实验结果建立了柴油液滴碰撞干壁面最大铺展系数半经验理论解析模型。(2)采用复合Level set-VOF法(CLSVOF)实现了液滴撞壁过程中相界面的精确追踪,并综合考虑了表面张力、传热、接触热阻和动态接触角建立了液滴碰撞干壁面和湿壁面数值模型,实现了对传热、液固润湿、Marangoni应力和接触角滞后现象的数值求解。通过将数值结果与实验结果进行对比,验证了模型的可靠性。对液滴碰撞干壁面和湿壁面运动机制进行了数值研究,揭示了液滴碰撞干壁面运动和二次雾化机制以及碰撞湿壁面铺展、射流形成发展和射流飞溅机制。研究发现:液体内部压力梯度是液滴碰撞干壁面铺展边缘产生射流和射流断裂的主要原因,同时也是碰撞湿壁面皇冠射流形成、发展和飞溅的关键;Rayleigh-Plateau不稳定性和毛细波的作用是射流产生颈部收缩和飞溅的关键因素;涉及传热的液滴撞壁过程,由Marangoni效应所引起的表面张力变化也是影响射流飞溅运动的重要因素。同时,还探索了碰撞速度、壁面浸润性和液膜厚度对液滴撞壁过程的影响。(3)对液滴碰撞干壁面和湿壁面空气夹带现象进行了数值研究,获得了夹带空气运动形态的演变规律,发现夹带空气随时间依次呈现出收缩、破碎、聚并和剥离等运动形态;壁面浸润性和韦伯数与夹带空气的形态变化以及演变速率相关性较大。揭示了夹带空气形成及其运动机制,发现撞壁前气液两相压力差是夹带空气形成的主要原因;液滴内部气液两相压力分布决定了夹带空气的运动形态。还探索了液滴的碰撞速度、壁面浸润性和液膜厚度对撞壁过程中夹带空气运动形态及特性规律的影响。(4)在液滴撞壁动力学机制研究基础上,对液滴碰撞干壁面和湿壁面传热机制进行了数值研究,揭示了液滴撞壁传热机制及壁面热流密度分布规律,发现撞壁初始阶段夹带空气对壁面热流密度分布存在较大的影响。探索了不同撞壁控制参数下液滴撞壁动力学与传热特征之间的关系,分析发现:液滴碰撞干壁面,随着碰撞速度的增加,其动力学与传热特征逐渐趋于同步;液滴碰撞湿壁面,随着碰撞速度的增加以及液膜厚度的减小,液滴的动力学特征滞后于传热特征越明显。研究了撞壁控制参数对液滴撞壁过程的影响,结果表明:碰撞速度、壁面温度、液滴温度、液膜厚度和液膜温度对壁面热流密度分布及其变化规律影响较大;液滴和液膜温度与液滴运动特征的相关性较小;壁面温度与液滴碰撞干壁面铺展特征的相关性较大,铺展边缘Marangoni应力是产生上述相关性的重要原因。数值研究了液滴碰撞干壁面蒸发现象,发现碰撞中心和铺展边缘具有较大的蒸发速率,容易率先形成蒸汽;蒸汽表面压力梯度是蒸汽运动形态变化的主要原因;铺展后期阶段,蒸汽成为影响碰撞点处热流密度的关键因素。