过冷水滴的碰撞结冰现象广泛存在于航空、电力通讯、气象、低温制冷等诸多工程实际领域中。由于过冷水处于亚稳态,其相变结冰与稳态平衡下水的相变结冰明显不同。生产生活中的宏观结冰/霜等实际上是单个过冷小水滴与壁面作用而结冰并逐渐积累形成宏观冰层的过程。为了减小结冰/霜导致的危害,从延缓结冰发生、抑制冰层生长等方面出发,本文对过冷水滴的结冰与碰撞特性开展研究,以“静置过冷水滴结冰—水滴碰撞—过冷水滴碰撞结冰—宏观积冰模型”为研究主线,旨在阐明过冷水滴结冰与碰撞的耦合机理,理解过冷水滴碰撞结冰中的传热与流动机制,为改善结/防/除冰相关的工程应用提供理论基础和技术参考。开展了静置水滴的结冰与成核实验研究,获得了静置过冷水滴结冰与融化过程中的温度、形貌等特征,统计分析了过冷水滴的成核温度和成核率特性,探讨了过冷水滴成核的体积效应和时间效应。结果表明:过冷水滴的成核温度近似满足正态分布;过冷水滴的体积越小,其成核温度越低;在相同的成核温度下,随着水滴体积的增大和时间的推移,成核率增加。考虑过冷效应引起的成核再辉阶段的影响,建立了过冷水滴冻结阶段的理论模型和数值模型,准确预测了冻结阶段的轮廓变化、尖端形成、相界面变化与温度分布,定量研究了冷面温度、接触角和水滴体积对冻结时间的影响规律,获得了过冷水滴冻结时间的计算关系式,其预测偏差为±25%。实验研究了We数和接触角对水滴碰撞过程的铺展系数和高度系数的影响规律,引入动态接触角模型,建立了水滴碰撞过程的数值模型,定量研究了椭球水滴的初始形状对其碰撞动力学特性的影响,获得了不同初始长宽比下椭球水滴最大铺展系数的计算关系式,其预测偏差为-5%～25%。开展了过冷水滴的碰撞结冰实验,并与常温水滴的碰撞过程及常温水滴的碰撞结冰过程进行了对比分析,探讨了过冷效应对碰撞结冰过程的影响,建立了考虑过冷效应的碰撞结冰数值模型,准确预测了过冷水滴碰撞结冰过程中的铺展系数和形态变化,分析了碰撞与结冰的耦合特性,统一了不同We数、表面接触角和过冷度下碰撞结冰的最终形态分布图,得到了过冷水滴碰撞结冰的完全反弹条件。分析了单个过冷水滴碰撞结冰现象与宏观积冰过程之间的关系,建立了考虑变物性霜冰层的宏观积冰模型,研究了来流参数对变物性和常物性积冰模型预测结果的影响,并给出了不同来流参数下的模型选择建议。