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低温冷表面结霜广泛存在于空调制冷、低温、航空航天、煤矿等领域,是湿环境中一种常见的自然现象。霜层在生长过程中,在不同工况条件以及不同生长阶段下,结霜过程都会呈现出不同的形貌特征。对于结霜规律和结霜过程中霜层形貌的变化特性进行正确的认识,并准确的模拟,对于现今结霜工况下工作的换热器设计具有指导意义。本文通过实验研究了低温环境下冷表面霜层的生长过程,并对冷表面和管翅式换热器表面霜层分布进行了数值模拟,主要内容如下:在低温环境中,不同工况条件下冷表面结霜特性的实验研究。搭建了冷表面结霜实验台系统,通过改变湿空气温度、流速和冷表面温度等条件,研究了这些因素对霜层形貌、霜层高度、霜层质量、霜层冰晶体积分数以及平均导热系数的影响,结果表明:一定范围内,冷表面温度越低,湿空气温度与流速越高其结霜量在同等时间内越大,结霜速率越快。同时随着霜层高度和霜层质量的增加,其冰相体积分数和平均导热系数也随之增大。并根据霜晶形貌的生长过程的观察发现,单个霜晶的生长过程类似于自然界树木的动态生长过程。以此为基础,提出新型的树形霜层生长模型。冷表面的结霜过程的数值模拟。结合本文的实验数据,通过欧拉多相流模型并耦合自定义质量转移模型的模拟方法,模拟了冷表面结霜过程,并通过计算所得的霜层平均高度与霜层质量与实验数据进行对比,探讨了该模型在模拟中的适用性与准确性,结果表明:在模拟数据与实验数据对比中,霜层平均高度方面,在湿空气温度Tin=5℃时,其实验值与模拟值差距最大为15%,而在湿空气温度Tin=-5℃时,模拟与实验数据相差较大。霜层质量方面,两种工况条件下的模拟数据与实验吻合度较好。管翅式换热器结霜模拟的研究。结果表明:在基管附近的翅片,其温度较低,霜层密度大,结霜量大;而远离基管处,翅片温度高,霜层的密度减小。同时基管的迎风面首先开始结霜,随着结霜量的不断增加,其背风面才逐渐开始有霜层形成。换热器结霜后,翅片与基管处结霜会对湿空气在换热器的流动产生阻碍,换热器前后压差增大,空气流动性减弱。