射流是一种极为常见的流动形态,并被广泛应用于各种工程领域。在一些特殊生产加工中,如采矿、切割、清洗等,射流有着不可替代的重要优势。射流自喷嘴流出至失稳破碎是一个极为复杂的流动过程,同样也是流体相关研究领域内广受关注的重要基础内容之一。目前对液体射流的发展演变规律,特别是初始失稳破碎阶段,小尺度界面扰动结构的流动机理尚没有明确的认识。本文在国家自然科学基金项目“介观超高压射流的界面流动及失稳机理研究”(NO. 51176065)的资助下,运用数值模拟和可视化实验手段对高速液体射流气液界面初始失稳及破碎相关结构随时空演变规律及相关机理展开研究。论文主要工作及创新性研究成果如下:基于边界追踪的数值方法、多相流及湍流模型对连续射流自由表面结构的时空演变过程进行了数值演示。细致刻画了表面波、“液带”等初始扰动结构的产生、变形和破碎过程。依据模拟获得的射流二维及三维结构特征,提出将射流自喷嘴流出至发生初始破碎过程划分为界面稳定、界面失稳发展和界面分离破碎三个阶段,并初步获得了三个阶段的流向范围。结合涡量分析对射流表面结构演变进行了讨论,指出由气液界面速度分布不均匀所导致的界面压力脉动是诱发射流表面失稳并促使失稳结构发展演变的重要因素之一。自主设计搭建了一套高速显微摄影系统对小尺度、高速液体射流表面初始扰动结构进行可视化捕捉,并基于谱方法编写批处理程序对射流图像进行处理和测量。实验首次清晰捕捉到射流表面初始周期性扰动结构,准确测得了射流表面初始失稳位置、扰动结构波长、波长沿流向增长率等定量信息。建立了射流表面扰动结构特征参数与喷嘴结构特征参数之间的函数关系。将实验结果与基于时空线性稳定分析所得的理论结果进行了对比,并就理论分析不能准确预测射流表面失稳位置提出了修正。指出在以基于动量边界层厚度的无量纲波长为纵轴,流向距离和射流速度的乘积为横轴的坐标系中,不同破碎机制下的波长变化规律趋向一致。并由此获得了可用于判别射流表面稳定性的无量纲参数。从轴对称型喷嘴出发,以喷嘴内流道三个主要特征结构参数:渐缩角,长径比和收缩比为基础,自主设计了8种不同结构喷嘴,就喷嘴结构对射流表面初始失稳位置及扰动结构波长的影响机制展开研究。建立了喷嘴各特征参数与射流表面转捩的对应关系。研究发现,喷嘴几何结构主要通过改变出口附近射流边界层厚度、形态来间接对射流表面失稳位置及初始扰动结构产生影响。基于高速显微及连续成像技术对射流表面破碎过程进行了动态捕捉,并结合图像后处理技术对过程中的射流表面结构参数进行定量测量和分析。归纳总结了射流表面破碎特征结构— “液带”和液滴的主要形成和破碎机制。对比讨论了喷嘴结构对初始破碎的影响规律,指出在相同进口流动状态条件下,较小渐缩角、较大长径比和较高收缩比有促进射流初始破碎的作用。