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深冷表面上的结霜研究对低温液化气体的储存，运输和供给，尤其是对以低温液化气体为燃料的航空航天工业有重要意义。本文通过大量的深冷表面上的结霜实验研究，明确了深冷表面上的结霜机制，霜层发展过程，结霜影响因素对霜层生长的影响规律。并以传热学，工程热力学，相变动力学的理论为基础，同时借鉴云物理学，晶体学和表面物理化学等学科的研究成果对深冷表面上的结霜现象进行了分析。主要内容如下:
通过系统的竖直深冷表面上的结霜实验，明确了竖直深冷表面上的结霜机制和结霜影响因素对霜层生长的影响规律。冷板温度在-180℃到-140℃之间变化时，空气绝对湿度对霜层的竖直生长和厚度生长有决定性影响。霜层的竖直生长方式随着实验中绝对湿度的降低出现3种形式。绝对湿度大于7g/m3时，霜层为典型的自上而下的推进式生长;绝对湿度在4g/m3与7g/m3之间时，霜层呈现局部的阶梯式生长;绝对湿度小于4g/m3时，霜层呈现典型的阶梯式生长。霜层竖直生长速度随空气绝对湿度的增大而增大，当绝对湿度大于12g/m3时，绝对湿度继续增大时对霜层竖直生长速度的影响不明显。冷板温度对霜层厚度生长的影响由空气绝对湿度划分为两个阶段。绝对湿度大于4g/m3时，霜层厚度生长主要取决于空气条件，冷板温度对霜层厚度生长的影响不大。绝对湿度小于4g/m3时，绝对湿度越低，冷板温度对霜层厚度生长的影响越明显。霜层厚度随着空气绝对湿度的增大由绝对湿度值4g/m3，7g/m3和16.5g/m3划分成4个阶段。当空气绝对湿度大于16.5g/m3以后，霜层厚度将不再随绝对湿度的增大有显著增大。空气绝对湿度相同，但空气温度和相对湿度不同的两个实验中，空温度较低而相对湿度较高的实验中霜层厚度较大。霜层竖直生长速度在绝对湿度相同的两个实验中没有明显差别。竖直深冷表面周围随热边界层和速度边界层一起形成的由冷板上边缘向下发展的由水蒸气相变形成的小液滴和冰晶颗粒组成的厚度不均匀的重相边界层的存在，使水蒸气在冷板表面不同位置的扩散量不均匀是霜层不均匀生长的根本原因。冷板温度与空气条件的变化对重相边界层的厚度和其内部重相粒子浓度的影响，是深冷竖直表面上自然对流下的结霜实验中诸多实验现象发生和转变的主要成因。-110℃是竖直深冷表面上结霜机制发生转变的临界冷板温度。有液态空气冷凝的实验中，冷板上边缘初始霜晶的成核时间比没有液态空气冷凝的实验中要晚约1min左右。其霜层厚度明显大于相同空气条件下的其他深冷表面上的结霜厚度。
通过对冷板温度从普通低温至深冷温度的各实验中结霜过程和霜层结构的观察与比较，明确了水平深冷表面上的结霜机制。水平深冷表面周围存在着具有一定厚度而且厚度均匀的重相边界层，水蒸气相变形成的重相粒子随着空气自然对流落于冷面或霜层表面形成了结霜的粒子沉积机制。粒子沉积机制下霜层生长极为缓慢，随着霜层厚度的增加和霜层表面温度的提高，重相边界层厚度与霜层厚度此消彼长，结霜机制由粒子沉积机制逐渐转化为水蒸气扩散机制，之后霜层厚度迅速增长。冷板温度越低，粒子沉积机制维持时间越长。基于成核理论和重相粒子的形成条件，给出了粒子沉积机制下霜层生长的数学模型。
通过各种截面形式的水平低温直肋片上的结霜实验，考察了结霜影响因素对肋片结霜的影响，计算分析了结霜工况下低温圆截面直肋上的传热特性。肋基温度在-180℃到-140℃之间变化时，霜层厚度随着肋基温度的降低而增大，但此影响较弱。肋基温度对霜层表面温度和霜层物性参数无显著影响。霜层厚度，霜层表面温度和霜层物性参数都随着空气温度和相对湿度的升高而增大。空气温度是肋片上霜层表面融化的最直接影响因素，霜层表面融化对霜层厚度影响较大。肋片的形状与位置越是有利于湿空气在肋片或霜层表面的周向形成较好的贴近于肋片或霜层表面的绕流，肋片上的结霜量越大，霜层密度也越大。在竖直的肋片表面上形成的霜层有单位面积结霜量大，但霜层密度小的特点。霜层物性对低温肋片结霜工况下的传热有决定性影响，霜层导热系数越大，传热量越大，相对于霜层物性，霜层厚度不是传热的主要影响因素。
基于经典成核理论计算分析了各种不溶表面上的液滴成核相变能障，开展了结霜初期无液滴成核时疏水表面抑霜效果的结霜实验研究，对深冷表面上的除霜方法进行了探讨。新相在异质表面上成核分别受异质表面的润湿性和微观尺寸的影响。平面上成核的难易只与表面的润湿性有关。球面和凹弧面上的成核能障与表面的润湿性以及异质核半径与新相成核的临界半径的比值两个因素有关。若想通过异质核的微观尺寸特征来显著地影响新相成核，异质核半径与新相成核的临界半径的比值应在O到1之间。当异质核的半径与新相成核的临界半径的比值大于10以后，各异质表面上的成核都相当于在平面上成核。实验结果显示，结霜初始为水蒸气在冷表面上凝华成核时，疏水表面上的霜晶比未处理表面上的霜晶更密集。结霜初始为粒子沉积机制时，重相颗粒将表面的微观特性悉数覆盖，冷表面的微观特性对霜晶成核和结霜过程几乎没有影响。实验观察发现，冷面快速降至低温时能获得结构疏松的霜层。在实际应用中可以采用定期喷吹或者振动的方式较彻底地除霜。
通过系统的竖直深冷表面上的结霜实验，明确了竖直深冷表面上的结霜机制和结霜影响因素对霜层生长的影响规律。冷板温度在-180℃到-140℃之间变化时，空气绝对湿度对霜层的竖直生长和厚度生长有决定性影响。霜层的竖直生长方式随着实验中绝对湿度的降低出现3种形式。绝对湿度大于7g/m3时，霜层为典型的自上而下的推进式生长;绝对湿度在4g/m3与7g/m3之间时，霜层呈现局部的阶梯式生长;绝对湿度小于4g/m3时，霜层呈现典型的阶梯式生长。霜层竖直生长速度随空气绝对湿度的增大而增大，当绝对湿度大于12g/m3时，绝对湿度继续增大时对霜层竖直生长速度的影响不明显。冷板温度对霜层厚度生长的影响由空气绝对湿度划分为两个阶段。绝对湿度大于4g/m3时，霜层厚度生长主要取决于空气条件，冷板温度对霜层厚度生长的影响不大。绝对湿度小于4g/m3时，绝对湿度越低，冷板温度对霜层厚度生长的影响越明显。霜层厚度随着空气绝对湿度的增大由绝对湿度值4g/m3，7g/m3和16.5g/m3划分成4个阶段。当空气绝对湿度大于16.5g/m3以后，霜层厚度将不再随绝对湿度的增大有显著增大。空气绝对湿度相同，但空气温度和相对湿度不同的两个实验中，空温度较低而相对湿度较高的实验中霜层厚度较大。霜层竖直生长速度在绝对湿度相同的两个实验中没有明显差别。竖直深冷表面周围随热边界层和速度边界层一起形成的由冷板上边缘向下发展的由水蒸气相变形成的小液滴和冰晶颗粒组成的厚度不均匀的重相边界层的存在，使水蒸气在冷板表面不同位置的扩散量不均匀是霜层不均匀生长的根本原因。冷板温度与空气条件的变化对重相边界层的厚度和其内部重相粒子浓度的影响，是深冷竖直表面上自然对流下的结霜实验中诸多实验现象发生和转变的主要成因。-110℃是竖直深冷表面上结霜机制发生转变的临界冷板温度。有液态空气冷凝的实验中，冷板上边缘初始霜晶的成核时间比没有液态空气冷凝的实验中要晚约1min左右。其霜层厚度明显大于相同空气条件下的其他深冷表面上的结霜厚度。
通过对冷板温度从普通低温至深冷温度的各实验中结霜过程和霜层结构的观察与比较，明确了水平深冷表面上的结霜机制。水平深冷表面周围存在着具有一定厚度而且厚度均匀的重相边界层，水蒸气相变形成的重相粒子随着空气自然对流落于冷面或霜层表面形成了结霜的粒子沉积机制。粒子沉积机制下霜层生长极为缓慢，随着霜层厚度的增加和霜层表面温度的提高，重相边界层厚度与霜层厚度此消彼长，结霜机制由粒子沉积机制逐渐转化为水蒸气扩散机制，之后霜层厚度迅速增长。冷板温度越低，粒子沉积机制维持时间越长。基于成核理论和重相粒子的形成条件，给出了粒子沉积机制下霜层生长的数学模型。
通过各种截面形式的水平低温直肋片上的结霜实验，考察了结霜影响因素对肋片结霜的影响，计算分析了结霜工况下低温圆截面直肋上的传热特性。肋基温度在-180℃到-140℃之间变化时，霜层厚度随着肋基温度的降低而增大，但此影响较弱。肋基温度对霜层表面温度和霜层物性参数无显著影响。霜层厚度，霜层表面温度和霜层物性参数都随着空气温度和相对湿度的升高而增大。空气温度是肋片上霜层表面融化的最直接影响因素，霜层表面融化对霜层厚度影响较大。肋片的形状与位置越是有利于湿空气在肋片或霜层表面的周向形成较好的贴近于肋片或霜层表面的绕流，肋片上的结霜量越大，霜层密度也越大。在竖直的肋片表面上形成的霜层有单位面积结霜量大，但霜层密度小的特点。霜层物性对低温肋片结霜工况下的传热有决定性影响，霜层导热系数越大，传热量越大，相对于霜层物性，霜层厚度不是传热的主要影响因素。
基于经典成核理论计算分析了各种不溶表面上的液滴成核相变能障，开展了结霜初期无液滴成核时疏水表面抑霜效果的结霜实验研究，对深冷表面上的除霜方法进行了探讨。新相在异质表面上成核分别受异质表面的润湿性和微观尺寸的影响。平面上成核的难易只与表面的润湿性有关。球面和凹弧面上的成核能障与表面的润湿性以及异质核半径与新相成核的临界半径的比值两个因素有关。若想通过异质核的微观尺寸特征来显著地影响新相成核，异质核半径与新相成核的临界半径的比值应在O到1之间。当异质核的半径与新相成核的临界半径的比值大于10以后，各异质表面上的成核都相当于在平面上成核。实验结果显示，结霜初始为水蒸气在冷表面上凝华成核时，疏水表面上的霜晶比未处理表面上的霜晶更密集。结霜初始为粒子沉积机制时，重相颗粒将表面的微观特性悉数覆盖，冷表面的微观特性对霜晶成核和结霜过程几乎没有影响。实验观察发现，冷面快速降至低温时能获得结构疏松的霜层。在实际应用中可以采用定期喷吹或者振动的方式较彻底地除霜。