颗粒的形态及演变过程研究在能源动力及航空军工领域具有重要意义,比如电厂中煤粉、生物质等燃料颗粒及燃烧产物的形态影响燃烧效率及污染物排放,过冷大水滴撞击机翼引起的积冰影响飞机飞行安全等。为了深入研究固体颗粒燃烧和飞机结冰机理,三维可视化固体燃料颗粒燃烧过程以及三维定量测量液滴飞溅过程十分有必要。目前,多数颗粒及流场光学诊断技术只能进行单一或个别参数的单点/二维测量,针对燃烧或不规则颗粒测量误差相对较大。数字全息技术作为一种三维成像技术,可以实现多相流中不规则多尺度颗粒的形貌、粒径、浓度分布以及三维运动速度等多参数实时在线三维定量测量。因此,本文以煤粉/生物质等固体燃料颗粒、云雾颗粒为对象,利用数字全息进行燃烧燃料颗粒破碎、挥发分云演变及液滴碰撞壁面飞溅过程颗粒形态演变三维可视化研究。同时针对C919、CR929等国产大飞机适航取证需求,研发了云雾颗粒全息测量仪,在结冰风洞中开展测试研究。本文建立了基于高速数字全息的燃料颗粒燃烧测量系统,对煤粉和竹粉颗粒燃烧过程进行全息三维可视化试验研究。捕捉到了火焰中煤粉和竹粉颗粒的清晰形貌,动态追踪了颗粒破碎过程母颗粒及对应碎片的时间分辨三维空间分布。全息观测到煤粉颗粒三种破碎模式,包括颗粒中心破碎、颗粒外部剥落/破碎以及两种模式耦合的混合破碎模式,并获得不同破碎模式下母颗粒和碎片的形态差异。利用颗粒和细条状物体三维自动测量算法获得了碳烟积聚体三维结构和三维边界,并研究了煤种对碳烟积聚体生成潜能、形态演变、运动状态的影响。结果显示山西烟煤因挥发分物质焦油含量大,生成碳烟积聚体潜能较大,且大于锡盟褐煤,印尼褐煤燃烧时无碳烟积聚体生成。锡盟褐煤因挥发分物质粘性低,其母颗粒与挥发分云/碳烟积聚体的速度滑移现象比高阶的山西烟煤更明显。同时建立了液滴碰撞壁面全息三维成像可视化试验系统,对飞溅过程子液滴进行三维、多参数定性、定量研究。实现了飞溅子液滴空间分布时间分辨演变全息三维可视化,并结合子液滴粒径变化阐明了液滴飞溅三种破碎模式机理。研究了碰撞表面粗糙度、碰撞速度、碰撞角度对液滴飞溅特性的影响,结果表明,子液滴飞溅剧烈程度、飞溅高度随着表面粗糙度和碰撞速度的增大而增大。对比分析碰撞前、后沿点区域三维空间中飞溅子液滴的数目、粒径、飞溅角,展示了液滴撞击倾斜壁面上飞溅的非对称分布特性。同时基于子液滴三维信息总结了碰撞前、后沿点区域子液滴切向及法向速度随碰撞角的变化规律。针对结冰风洞低温（低至-40℃）、高湿、高速、强振动等极端测试环境,设计并研制了云雾颗粒全息测量仪。通过耦合仪器探头结构优化设计及测量窗口局部温控,解决了测量区域采样代表性与测量窗口结冰等问题。实验验证,仪器针对<10μm颗粒粒径测量误差<10%,>50μm颗粒粒径误差<4%。仪器成功应用在哈尔滨移动式冰风洞和3 m×2 m结冰风洞中,实现了6～1000μm水滴及冰晶形貌、粒径分布、中值体积直径、液态水含量等关键参数的测量。研究了结冰风洞喷雾系统水压、气压对云雾颗粒中值体积直径MVD（median volume diameter）的影响,结果显示过冷水滴MVD随着喷雾系统水压的增大而明显增大,随气压的增大而逐渐减小。