喷雾结冰是人工造雪、结冰风洞和凝固热泵等领域的常用技术,液相凝固过程中将释放凝固潜热,对环境空气具有一定的加热升温作用。本文利用数值模拟和实验相结合的方法对喷雾结冰气液固三相传热过程进行了研究。本文设计制作了一种适用于喷雾结冰的气泡雾化喷嘴,该喷嘴可以在低压,小流量下,获得良好的雾化效果,其喷雾粒子平均直径SMD小于16微米,雾化每千克的水耗功仅为5.93W。本文利用ANSYS-fluent数值模拟软件,基于离散相（DPM）模型,采用“等效比容法”对喷雾结冰过程进行数值模拟,获得了冷空气温度、喷雾颗粒直径等对结冰过程和换热效果的影响趋势,为实验装置设计和实验测试积累基础数据。冷空气温度越低越有利于喷雾结冰换热过程中,颗粒冻结状态与粒径有关,粒径越小,所需冻结时间越短,喷雾结冰效率越高。模拟结果表明,当环境温度为-10℃,粒径控制在100μm以下,当环境温度为-5℃时,粒径控制在50μm以下,并采用多喷嘴或者逆喷方式,可以提高喷雾结冰效率。本文基于数值模拟结果,搭建了喷雾结冰换热器试验台,重点研究了喷雾结冰换热器内不同两相流动方式（顺喷和逆喷）、不同工作参数下的两相换热效果。结果表明,当环境温度较高时,不同喷嘴分布方式对温升有较大影响。单喷嘴顺喷时的换热效果最差,双喷嘴逆喷时的换热效果最好。水量越大,风量越小该规律越明显。但随着环境温度的降低,喷嘴分布方对温升的影响逐渐减弱。当环境温度达到-5℃时,结冰的最大喷雾量为8g/m3;环境温度为-10℃时,结冰的最大喷雾量为15g/m3。最后,本文理论分析了喷雾结冰换热器耦合空气源热泵低温运行时的能效比,当利用喷雾结冰将环境空气从-13℃升温至-8℃后,耦合系统综合能效比要比原空气源热泵实际能效比提高60%左右。论文研究工作对于喷雾结冰技术的工程应用具有一定的指导意义。