化工反应器的设计和放大是化学反应工程研究的核心内容。搅拌槽是过程工业中最常见的反应器之一,它具有相际接触面积大、传热和传质效率高、操作弹性大等特点,在化工、石化、生化和冶金等领域有着广泛的应用。在对搅拌槽反应器的设计和放大中,由于缺乏机理性的数学模型和工程实用的数值计算方法,研究者多采用经验或半经验关联式来进行逐级放大,这种方法不但费时,而且成本高、风险大。针对这种情况,本论文从实验研究和数值模拟两个方面对多相搅拌槽反应器内的流体动力学和混合特性进行研究。　　 实验部分首先提出了两种新搅拌桨构型:错位桨和向心桨。以空气-水-石英砂三相体系为研究对象,通过与传统搅拌桨在功耗、混合时间和气体循环能力三个方面的比较,表明错位桨提高了径向流叶轮的轴向混合能力,混合时间低于传统的Rushton桨和斜叶桨,并且气体分散能力更强,通气对其功耗影响更小。而向心桨能利用叶片与圆盘法线的偏角,推动流体向心流动,产生了除三种传统流动(即径向流、周向流和轴向流)以外的新的流动方式,经过实验证明:向心流动有利于降低能耗、减少混合时间和改善液固混合状况。　　 其次,对搅拌槽反应器中常用的三种搅拌桨加上错位桨进行组合,研究了双层桨体系的流体动力学,证明了通气对于固体悬浮不利,采用轴流桨的双层桨组合在能耗及稳定性方面均优于径流桨组合,但径流桨的宏观混合能力强于轴流桨。针对搅拌桨产生的不同流型提出了两种混合模式:强扩散弱剪切和先破碎再分散,进而解释了不同桨组合在混合时间方面的差异。　　 随着计算流体力学(CFD)理论的发展和计算科学的进步,对搅拌槽内多相体系的流动进行数值模拟方面的研究已成为热点。斜叶桨具有良好的轴向混合能力,但相对于叶片形状比较规则的Rushton桨,斜叶桨的数值处理是一个难点。形状复杂的叶片一般采用近似台阶法、贴体坐标或浸入边界法处理,以上三种方法均有各自的优缺点。本论文提出了一种处理不规则叶片搅拌桨的新方法,首次将镜像流体法(Mirror fluid method,MFM)结合局部加密桨区,应用于湍流条件下(单)多相斜叶桨无(有)挡板搅拌槽的数值模拟中。镜像流体法把求解域扩展到固体区域,真实边界自然淹没在扩展的流场中。这种新方法可以准确地预测出斜叶桨搅拌槽的流动参数和相含率分布,模拟结果优于传统的κ-ε模型,计算量也不会明显增加,对网格数要求不高(105数量级),而且对Re数也没有限制(Remax=1.9×105),是一种可行的处理不规则叶片搅拌桨的新方法。　　 最后,本论文还讨论了搅拌槽数值模拟中广泛应用的多重参考系方法内外区界面位置的选取对于计算的影响,结果表明:内外区界面的位置应尽革靠近搅拌桨,即内区最小准则。当内区越小时,计算的收敛速度越快,残差数量级别越低。