湿空气中水蒸气在冷壁面附近冻结成小冰粒后在冷壁面沉积形成霜层的过程称为湿空气近冷壁面结霜现象。自然界和工程应用领域中广泛存在的结霜现象是一个涉及流体流动、传热传质以及相变的复杂物理过程。多数情况,结霜会影响工程设备的运行特性并造成损失。尤其是在航空航天领域,设备表面与周围环境之间存在较大温差(大于100K),设备在大温差工况下运转会发生快速结霜现象。以预冷器为例,霜层的存在严重影响其换热系数及湿空气侧压降。同时,该结霜过程发生时间较短(小于3min),设备运行中无法进行除霜,结霜现象会使设备发生传热失效,甚至造成灾难性事故。因此,此种设备上结霜机理的研究以及结霜过程的预测对设备设计具有重要的意义。大温差环境湿空气结霜方式主要包括湿空气壁面结霜和湿空气近冷壁面结霜两部分,该过程不同于普通的小温差结霜方式。在目前的研究成果中,关于大温差环境湿空气结霜过程的研究还不十分完善。因此,本文从宏观和微观两个角度分析湿空气近冷壁面结霜过程,该结霜过程主要与冰粒形成、冰粒生长和冰粒在冷壁面沉积有关。首先,基于相变理论和冰粒形成过程,建立修正的焓法格子Boltzmann相变模型,通过与焓法格子Boltzmann相变模型进行对比,证明了修正模型可以更好地用来描述涉及流体流动的液滴冻结过程,随后分别模拟冷空间内悬浮液滴以及下落液滴的冻结过程,得到了液滴内部温度分布、液滴冻结状态、液滴冻结参数及其影响因素。其次,从冰粒生长过程出发,构造改进的多组分焓法格子Boltzmann相变模型,在验证模型正确性后,利用该模型研究湿空气流中悬浮冰粒生长过程,获得了冰粒生长形状和平均生长速度及其影响因素。最后,基于雪堆积现象和气固两相流理论,分析冰粒沉积过程,利用LBM-LGA冰粒沉积模型分别模拟冰粒在单排管束和叉排管束的沉积过程,阐述了冰粒初始位置、冰粒直径以及管束排列方式对冰粒运动轨迹和沉积位置的影响。基于湿空气近冷壁面结霜机理以及大温差环境湿空气结霜方式,将改进的多组分焓法格子Boltzmann相变模型与LBM-LGA冰粒沉积模型耦合,构建了大温差环境湿空气结霜计算平台。通过与实验结果进行对比,验证了结霜计算平台的正确性。随后,模拟了湿空气流经极低温叉排管束结霜过程,并将得到的模拟结果与使用LBM-LGA冰粒沉积模型模拟相同工况冰粒群在叉排管束沉积过程得到的模拟结果进行对比,说明了大温差环境湿空气结霜过程的主要结霜方式。最终,利用该结霜计算平台模拟湿空气流经极低温管束结霜过程,得到了管束结霜工况和换热特性,对该过程进行变参数研究,分析了结构参数以及热力学参数对结霜工况和换热特性的影响。