结霜是低温、制冷与空调工程中的常见现象。换热器冷表面上的结霜会产生一系列不良影响,包括：增加传热热阻,导致换热器热交换能力降低；堵塞空气流通通道,致使空气流动压力损失增大等,严重时甚至造成换热器失效或损坏。在其它领域,结霜也可能造成严重危害。所以,对结霜机理、抑霜和除霜方法的研究一直受到人们的重视,其中,结霜机理研究是抑霜和除霜的理论基础,也是结霜研究的核心。 在全面总结结霜研究的重要成果和现状的基础上,综合应用流体力学、热力学、传热学、表面化学、相变动力学、多孔介质等方面的理论和知识,讨论了霜层生长速度及特性(密度、导热系数、粘附性、晶体形态)的主要影响因素,包括空气(相对湿度、温度、流速)、冷表面(温度、表面特性)和场作用(电场、磁场)等,研究了结霜时近壁面冷空气中水蒸汽的状态变化以及冷表面上水滴的形成、水滴的冻结及其变形、霜的晶体生长等结霜过程中的几个关键基础物理问题。 对冷表面附近水蒸气的状态变化进行了系统全面的研究分析和实验研究,计算了自然对流条件下冷表面附近空气的温度分布,分析了均相成核与异相成核的可能性.结果表明在冷表面温度-30℃,空气温度300K,相对湿度小于80％条件下,冷表面附近的空气中基本不会发生均相成核。但由于冷空气中存在大量悬浮颗粒物,水蒸气以这些颗粒物为基础更容易发生异相成核并生长成水珠。实验观察到了这种微小水珠在倾斜表面上的下滑。以悬浮于空气中直径2 mm的水滴冻结研究为基础,预测了悬浮于空气中直径微米量级的微小水滴从液相到固相的变化过程。 通过理论分析及实验研究了冷表面上的水滴形成、长大和团聚过程,特别是对水滴冻结过程中的形态变化给与了重点关注.这一过程中,随冷表面温度的降低,冷表面上先形成小水滴,空气中的水蒸气在冷表面上凝结还会使水滴不断长大,相互之间发生团聚形成更大的水滴。通过高倍显微镜观察了冷表面上的水珠形成,得出了不同冷表面温度下水珠大小随时间的变化关系,水滴的直径随时间增大直到整个冷表面上的水滴全部冻结。湿度越大,冷表面温度越高,冻结时的水滴直径越大。实验结果表明当微小水滴温度低于0℃时,并不立即发生冻结,而是以过冷态继续保持液态的形式,只有达到一定的过冷度且经过一定的过冷时间后才能发生明显相变。冻结时水滴的透明性丧失与水滴温度迅速回升至三相点附近这一过程同时发生。黏附于热电偶上并置于冷空气中的水滴冻结前最大过冷度可达到了-17℃,冻结会使水滴向温度较高的地方凸起。冷铜表面上水滴相变前的最低温度约为-5～-10℃,水滴冻结时底表面形状不发生变化,而在垂直于底表面方向上发生明显生长,水滴冻结末期在水滴项部形成明显的乳状凸起,呈一个类似桃子尖部的形状,其根本原因是由于冻结时的体积膨胀和凹形的等温面共同作用所致。建立了基于相变动力学的描述水滴冻结过程的数学模型并进行了数值模拟.该模型综合相变动力学、传热学理论,首次将化学反应动力学理论引入水滴冻结的相变过程,建立了水滴冻结的相变动力学模型,不仅可以描述水滴的冻结,而且能够描述冷表面上水滴冻结时伴随的形状变化。模拟结果与实验结果基本符合。以模拟结果为基础研究了水滴冻结后的表面曲率。 实验研究了霜晶体初始阶段的生长规律以及冷表面温度和空气湿度的影响,观察发现所谓的柱状生长实际上是水滴冻结时所形成的凸起上的霜晶生长,低倍显微镜下观察其外形类似一个冰柱.本文从霜层的基本单元--霜晶体着手,研究霜的生长规律,分析了不同形态霜晶体的成因,通过实验测定了不同条件下单个霜晶体的尖端生长速度,由于冻结水滴凸起处具有很大的表面曲率,因此在霜生长初期,这一位置上霜晶体生长速度明显快于其它位置,从而在该处形成一个冰柱。通过详尽的实验观察、深入的相变动力学分析及冻结水滴表面的曲率变化,证实造成这一现象的原因是表面凸起的尺寸非常小,接近成核的临界尺寸,使得这一表面凸起成为事实上的核化中心,从而大大降低了相变能量势垒,冷表面其它位置也有细小的冰柱产生,只是其大小远小于水滴顶部。 建立了霜晶体生长的相场法模型并进行了数值模拟.本文以液/固晶体生长的相场法理论为基础,适当的修正,建立了霜晶体生长的相场法模型,使得这一理论能够描述相变前后密度和比热差别较大、包含介质流动和组分扩散的情况。在适当简化的基础上,定性地模拟了霜的晶体生长,为更深入地研究冷表面霜层生长的机理提供更加坚实的基础。