自由界面大变形过程是流体力学领域最具挑战性的科学问题。自由界面在极短时间内的剧烈变形对观测手段的时空分辨率提出了苛刻的要求,常规流体力学实验方法难以有效的观测记录。对于数值模拟来说,欧拉网格不能描述准确的自由界面,而拉格朗日网格会因为巨大的畸变破坏求解精度。然而,在现代精密制造和材料制备工艺中,自由界面大变形过程是决定工艺精度和材料品质的关键性因素,如增材制造、集成电路印刷、定向沉积/可控相变等。相关机理和控制规律正在成为当前科学界的研究热点,吸引了越来越多的学者投入其中。为加深对自由界面大变形过程的理解,需要发展合适的研究方法用于揭示大变形过程的特征,并结合流体动力学理论解释特征的动力学机理。新一代数值方法——光滑粒子流体动力学兼具拉格朗日属性和无网格优势,能够克服传统网格类数值方法的不足,对自由界面大变形动力学研究具有良好的适用性。同时,高速摄影技术在流体力学研究领域的应用为自由界面大变形过程的观测提供了可能。基于上述背景,本论文通过对物理现象进行粒子离散建模,并借助与网格法耦合增强复杂辐射热输运计算能力,发展了适合自由界面大变形过程的数值工具,并将其应用于液滴动力学、相变动力学中典型自由界面大变形过程的研究。此外,搭建了高速摄影观测平台验证数值模型准确性。通过理论分析、数值预测和实验验证相结合的研究体系,探究了自由界面大变形的特征及其动力学机理,构建了工艺参数与变形特征之间的联系,主要研究内容和创新点如下:（1）揭示了液膜收缩大变形过程中心射流喷射、断裂及微液滴弹出的机理与窗口条件。通过对动力学过程惯性变化的影响分析,归纳了液膜收缩过程自由界面大变形的主要特征及变化趋势。（2）结合接触线动力学和纳米颗粒分布观测结果解释了液滴接触线后退过程中的纳米颗粒钉扎效应。分析了冲击速度、纳米颗粒体积浓度、基板加热温度对润湿过程的影响,指出最大归一化润湿半径满足88)8)8)8)8))=0.457（2（20）0）0.190)0)0.13。（3）分析了微通道内自由液面振荡变形对渗透模式的影响,构建了冲击惯性、微通道尺寸、界面润湿性作用下的渗透模式相图。研究了冲击惯性和孔隙率对液滴在多孔材料表面铺展和渗透的影响,指出了冲击惯性与渗透模式组合的关联。（4）基于SPH-FEM耦合求解框架对辐射加热下的石英熔化过程进行了数值研究,分析了石英锭内的温度场和相态分布特征,提出“优化热参数+底部加热器”的方案消除了熔化过程的固体夹杂。预测了液滴润湿高温基板的接触蒸发和回弹蒸发两种相变模式,指出蒸发速率峰值发生在液膜收缩阶段。以上研究发展了适合于自由界面大变形动力学研究的数值分析和实验验证方法。此外,研究结论涵盖了不同的自由界面大变形过程,可为3D打印、热喷涂等工艺优化及工业熔炉热设计提供较为全面的理论指导。