结霜现象广泛存在于工业生产生活中。换热设备结霜后,会产生很多危害,例如降低传热性能,堵塞气体通道,增加阻力和能耗等,但是结霜的发生往往是不可避免的,因此充分了解结霜机理,探究霜层的生长规律,找到有效地抑制结霜的方法对于工程应用至关重要。目前学者们主要针对冷壁面温度≥-30℃,相对湿度为40%~80%的条件下进行结霜现象和机理的研究,而对很多工业生产中相对湿度低于40%,冷表面温度低于-30℃条件下,空气中水蒸气直接在冷表面凝华结霜现象的研究较少。对于疏水表面的抑霜效果及不同特性表面上霜晶的演变过程也未充分揭示。因此,本文利用微观可视化观测方法,实验研究了低相对湿度条件下,裸铝和疏水表面上的结霜过程,探究疏水表面的抑霜特性;对裸铝(接触角78°)、疏水(接触角141°)和亲水(接触角26°)三种特性表面初始霜晶的形态进行了分析对比。针对低于普温(-30℃)结霜条件下冷表面结霜现象的研究的不足,本文的另一项研究重点是对低相对湿度、不同风速条件下,探究不同表面温度的冷表面上的结霜特性。研究结果表明在低的相对湿度条件下,疏水性表面仍具有很好的抑霜效果,可以有效延缓霜的形成和生长,并且疏水表面上的霜层比裸铝表面上更加疏松。实验表面温度为-10℃时,相比于裸铝表面,疏水表面可以延迟结霜30min;当温度进一步降低为-18℃,实验进行一个小时,疏水表面上的霜层厚度仅为裸铝表面上霜层厚度的68%。且在相同条件下,疏水表面上过冷水滴存续时间更长。实验发现表面温度为-26℃时,三种不同接触角的表面上初始霜晶的形态差异较大,疏水表面倾向于形成更加稠密的沿水平方向生长的枝状霜晶并向片状转变,而亲水表面则倾向于形成沿竖直方向生长的稀疏的针状霜晶。本文还对表面温度低于-30℃条件下冷表面结霜现象进行了实验研究,实验发现即使在较低相对湿度的情况下,初始霜晶的形态都近似为羽毛状或枝状,没有出现针状或棒状;初始霜晶的生长方式主要保持霜晶初始形状向上一维的生长,且并没有新的霜晶在冷表面形成。初始霜晶的生长过程中,其间距并没有发生明显减少。研究发现,降低冷表面的温度,霜层厚度显著增加,但冷表面结霜质量变化不大;随着空气流速的增加,霜层厚度并没有明显的增加,但霜层密度增加显著。即使在风速从0.25m/s增加到0.5m/s的条件下,霜层的厚度也没有明显地增加。这意味着在这种有利于凝华结霜条件下,霜层厚度增长的临界空气流速是非常小的。