自由表面流动问题普遍存在于化工、冶金、航空航天、材料科学等领域中，其过程中自由表面的位置随着液体的运动而变化，而且自由界面的运动对系统的行为具有重要的影响。这些问题中所固有的非线性变化加上撞击过程中可能发生的相变使得问题处理起来非常困难，因此也成为流体动力学领域非常关注的问题。本文运用理论分析和实验研究及计算机图像处理相结合的手段，对自由表面流动问题的典型范例——单个液滴撞击固体表面的行为进行研究。利用高速摄影仪分别对大气环境中等温条件下液滴撞击均质固体表面的过程和非等温条件下液滴撞击均质固体表面的过程进行可视化实验研究，利用计算机图像处理技术对其变化过程进行了定性、定量分析，获得了液滴撞击固体表面后液滴的铺展直径、液滴的高度和接触角随时间的变化关系，分析了固体表面材料、固体表面粗糙度、固体表面温度、液滴的大小、不同液滴以及撞击角度等因素对撞击后铺展过程的影响，系统地研究了表面材料和表面粗糙度对撞击后铺展过程的影响，探讨了其机理。结果表明：单个液滴撞击固体表面后均形成外缘向外铺展。在运动阶段和铺展阶段，各种因素对液滴的铺展过程的影响并不明显，当液滴铺展到最大直径后便开始回缩，各种因素的影响开始变得明显。图像处理分析液滴的铺展行为随时间的变化规律与理论分析的结果趋势一致，说明了实验方法的可行性，同时也说明了计算机图像处理技术可以应用到自由表面流动问题的自由界面的分析领域。