结霜现象是伴随着瞬间传热、传质、相变和具有移动边界的非稳态过程，普遍存在于自然界和制冷、低温及航空航天等工程领域。随着霜的生长，湿空气不断沉积到霜层内部，霜层厚度增加、密度变大，传热热阻增加，传热系数降低，对设备的正常运行产生不利影响，严重时甚至会导致系统无法正常工作，造成安全隐患。本文对冷表面上的液滴冻结及霜层生长过程进行了格子Boltzmann方法数值与实验研究。
首先，介绍了格子Boltzmann方法的常用的模型、边界条件及计算流程，模拟了方腔内自然对流与二维直角区域内相变问题，验证了程序的准确性。基于伪势模型和焓方法相变模型，采用固相体积分数修正迁移步的演化方程，建立了模拟液滴冻结非稳态传热过程的二维格子Boltzmann模型，数值研究了液滴过冷冻结及变形过程中的固相演化和热传递过程，并阐明了机理，实验验证了模型的可靠性。研究发现水滴底部在早期由于热阻较低，相变发生的较快，但随着冰相的生长变厚导致热阻升高，冻结速率逐渐变缓，冷表面温度越低水滴冻结出现的越早，水滴中心温度随着冷表面温度的下降而降低，水滴中心轴温度在固相区与高度呈线性增加关系，在液相区温度增加较平缓。保持液滴总质量不变，考虑液滴冻结过程的移动边界问题，对模型进行了修正完善，模拟了水滴冻结前后的变形过程，获得了冻结过程中液滴的固相与温度分布图、固相体积分数与实验数据的对比图，并分析了冻结前后的液滴的高度比，为霜晶体生长模型的建立奠定基础。
然后，基于液滴冻结格子Boltzmann模型，结合相变动力学成核理论，建立了模拟霜层生长动态物理过程的格子Boltzmann模型，实验验证了模型的可靠性。数值模拟了霜层厚度、霜层密度、霜层温度、霜晶体沉积量与霜晶体积分数等随生长时间的变化曲线，获得了二维多孔结构及密度分布图，研究表明越靠近冷表面，霜晶体积分数和霜层密度越大，霜层内部温度随霜晶的生长逐渐降低，在霜层纵向生长方向上温度呈线性增大。冷表面温度、水蒸气过饱和度对霜层厚度、霜晶体沉积量、霜晶体积分数的影响显著，冷表面温度越低，水蒸气过饱和度越大，霜层越厚、霜晶体沉积量越大。由于霜晶体成核过程与冷表面温度、过饱和度等因素有关，可以通过升高冷表面温度或改变局部的水蒸气过饱和度来影响霜晶体的生长速度，从而抑制霜层生长。通过模型模拟不同工况下霜层厚度的变化和霜晶体沉积量，可以间接地分析霜层生长过程，恰当的控制除霜的开始时间与周期，从而对降低除霜成本，提高工作效率具有一定的理论参考价值。
其次，设计搭建了结霜可视化观测实验平台，实验平台一方面为前述的模型验证提供必要的实验数据，另一方面通过显微摄像系统对冷表面上水滴冻结生长过程进行了微观观测，对比分析了恒温冷表面与变温冷表面上水滴冻结过程的不同，用高速摄像机观察到水滴的成核过程，详细分析了不同冷表面温度下水滴固相体积分数的变化特点与水滴中心温度的分布规律，研究了冷表面温度、水滴体积和空气状态等参数对冻结时间的影响。分析了水滴的冻结后期变形及霜晶体形成生长过程，研究发现水滴体积膨胀顶端凸起的主要影响因素是密度差异，霜晶体易以水滴顶端凸起为生长核心形成柱状霜晶是由于凸起部位曲率较大，因此要抑制或延缓霜晶体的形成，可通过抑制或延缓冷表面上液滴的冻结来实现。实验研究了不同浓度溶质溶液及颗粒杂质对液滴冻结过程的影响，研究发现部分溶质或颗粒杂质会增加溶液过冷度、减小冻结时间，起到促进冻结的作用，这是由于液滴处于不稳定的过冷状态时，溶液成分及浓度影响成核及传热，从而对凝固过程的过冷度产生影响。
最后，针对冷表面上霜层生长过程动态特性开展实验研究，通过显微摄像系统对不同工况下的霜晶形成与霜层生长进行了观测，从微观层面分析了恒温冷表面上凝华结霜与变温冷表面上凝结结霜两种结霜过程的不同，发现由于恒温冷表面与湿空气接触时温度已降至低温，会迅速形成冰晶颗粒并不断生长，而变温冷表面伴随着温度降低的过程，湿空气会首先凝结为水滴，然后合并、生长、冻结，并以冻结的水滴为基底，初始霜晶体不断形成和生长，最后两种结霜过程都经历霜层增厚，霜晶回融及霜层老化等；通过原始图像二值化来确定霜层的厚度，为霜层生长模型可靠性验证提供实验数据，分析了结霜初期恒温冷表面与变温冷表面霜层厚度的变化规律的不同，获得了不同工况下霜层物性随时间的变化规律；实验观测结霜过程中霜层的回融及坍塌现象，霜层表面温度升高是产生这种现象的原因；针对霜晶体形状进行了实验，研究表明霜晶体的形状主要分为针状、柱状、树枝状、片状、块状等，阐明了不同条件下水蒸气的凝结与凝华作用的差异会导致霜晶呈现不同的形状，这是由于霜晶体形状差异主要取决于霜层的表面温度，而霜层表面温度主要随生长时间由冷表面温度及空气相对湿度等决定；同时，实验研究了空气洁净度对霜层生长规律的影响，研究表明当PM2.5值越大时，结霜速率越快，霜层越厚，霜晶体沉积量越大，这是由于空气中的悬浮颗粒可以作为异相成核的质点或基底，促进霜晶体成核。