在液氢加注及气氢置换等过程中,系统不可避免会有空气的渗入。由于液氢温度较低,空气将转变为以固空形式存在。当固空的氧比例大于空气中氧比例时,液氢/固空系统将存在爆炸的风险。若固空以富氧形式存在,将进一步增大系统的风险性。因此模拟固空形貌和氮氧分布对于固空中氧安全阈值的确定,减小液氢系统风险,具有重要的指导意义。另一方面,固空随液氢流动过程中会对弯管等变截面造成冲蚀磨损,因此分析冲蚀规律有利于优化管道设计,进一步增强系统安全性。本文主要采用数值模拟方式进行研究。对于固空晶体部分,采用元胞自动机（CA）和格子Boltzmann（LBM）相结合的方法,首先对原CA模型中溶质分配规律进行修正,并结合氮氧凝固相图,建立适用于固空凝固的模型。而后耦合流场,研究了固空晶体在一定冷却速率下生长过程及氮氧分布情况,并探讨了不同冷却速率、初始氧浓度、流场强度以及多晶粒共同生长的影响。模拟结果表明,固空生长速率和晶体外围氧浓度均随冷却速率增大而增大。相同条件下,初始氧浓度越大,成分过冷越小,固空晶体生长越缓慢。氧峰值浓度和界面前沿氧浓度随初始氧浓度近似线性增长。当考虑多晶粒共同生长时,晶粒间的生长将相互影响,具体表现为内部晶粒被外侧晶粒的高浓度扩散层包围,生长较外侧晶粒缓慢。该情况下氧峰值浓度也随初始氧浓度近似线性增长。凝固时间0.52s时,初始氧浓度21%所对应的凝固场峰值氧浓度为26.9%。考虑凝固场中存在自然对流和强迫对流,固空晶体均呈现出非对称性生长。强迫对流时,迎流侧生长迅速,而背流侧生长受到抑制。对于氮氧浓度分布上,上游的氧在流场作用下转移至流场下游,并在此富集,因而迎流侧氧浓度梯度比背流侧大得多。氧峰值浓度也大于无流场存在情况。当冷却速率增大时,固空晶体非对称性增强,且整体凝固速率上升,而初始氧浓度对于晶体生长非对称性影响较小。自然对流时,固空呈现上侧生长慢,下侧生长快。初始氧浓度的增加会增强生长非对称性。由于自然对流促进氧在凝固场内的扩散,不同初始氧浓度下凝固场峰值浓度随时间变化不大。当流场强度增大时,凝固场氧峰值浓度和凝固速率都随之增加。且随凝固时间变长,不同流场强度所对应的峰值浓度差值有进一步增大趋势。多晶粒生长时,自然对流所对应的平均流速和氧峰值浓度均小于强迫对流,但凝固速率却略高于强迫对流。凝固时间由0.1s至1.19s时,内侧晶粒等效直径范围为[2.73μm,17.74μm]。最后,以晶粒生长等效直径范围为依据选取固空颗粒尺寸,并使用Fluent中的离散相模型（DPM）研究了固空形成后对于弯管的冲蚀影响。结果表明磨损主要集中在弯管外壁60°～90°范围内,并得到了磨损率与固空颗粒质量流量呈线性正相关,与液氢流速呈幂函数关系,拟合曲线可用于预测固空颗粒对弯管的冲蚀磨损。弯管最大磨损率随曲率半径增大而减小,而平均磨损率会经历先增大后减小的过程。减小弯管磨损可以通过减少固空产生、降低液氢流速、细化固空颗粒以及增大曲率半径实现。