射流搅拌反应器（Jet-stirred Reactor,JSR）是研究燃料氧化和热解的重要实验装置之一,其设计目的是通过高速湍流射流使反应物快速均匀混合,从而为燃料的氧化和裂解创造理想的反应环境。射流搅拌反应器的结构尺寸是影响内部气体混合均匀性的关键因素,为了解结构尺寸对内部气体混合均匀性的影响规律及气体在反应器内的流动混合过程,本文开展了数值模拟研究并进行了实验验证。本文在CONVERGE软件中建立了不同喷嘴类型、喷嘴内径、喷嘴朝向、喷嘴夹角、球形反应区半径、出口大小、出口形状的射流搅拌反应器三维数值模型。对反应器内处于稳定状态的二氧化碳被氮气排出的过程进行数值模拟,以气体的摩尔分数云图、理论停留时间分布曲线和实际停留时间分布曲线的吻合程度及球形反应区内所有网格中氮气摩尔分数的加权标准差为评价标准对不同结构尺寸的射流搅拌反应器内气体的混合均匀性进行多角度的定性、定量分析。同时,研究了在不发生化学反应时气体在不同喷嘴朝向的射流搅拌反应器中的流动混合过程。对于存在化学反应时气体的流动混合过程,通过模拟甲烷在当量比为1、停留时间为2 s时的氧化过程进行了研究。最后以混合均匀性较好的结构尺寸为参数,设计加工了一套新的JSR,并进行了甲烷、正庚烷的氧化实验,通过与CHEMKIN中PSR模块的模拟结果进行对比,来验证关于气体混合均匀性的模拟结果的准确性。研究结果表明,喷嘴类型对气体的混合均匀性影响较小,倾斜型喷嘴和交叉型喷嘴的JSR实际停留时间分布曲线几乎重合,仅氮气摩尔分数的加权标准差存在少许差异。在其它条件相同时,喷嘴内径越小,JSR内部气体的混合均匀性越高。与喷嘴朝向为下下左右、上上左右的JSR相比,喷嘴朝向为上下左右的JSR内气体的混合均匀性较好。随着喷嘴间夹角的降低,JSR内部气体的混合均匀性整体呈逐渐升高的趋势,但混合均匀性的差异逐渐减小,喷嘴夹角为15度的JSR混合均匀性较好。在其它条件相同时,球形反应区半径越大,气体的混合均匀性越好。在本文模拟的出口为6 mm、9 mm、12 mm、15 mm、18 mm的JSR中,出口大小为12 mm的JSR内气体的混合均匀性较好。在其它条件相同时,直筒型出口外套直筒型出口的JSR内部气体的混合均匀性优于渐扩性出口外套直筒型出口和仅有直筒型出口的JSR。对气体的流动混合过程分析表明,不存在化学反应时,喷嘴朝向为上下左右的JSR内的气体从喷嘴喷出后,并不直接流向反应区的中心区域,而是从球壁逐渐运动至球心,整体上做螺旋向心运动。喷嘴朝向为下下左右的JSR,在水平方向上气体的流动混合过程与喷嘴朝向为上下左右的JSR相同,在竖直方向上,气体从喷嘴喷出后先运动至球壁,碰壁后立即向上运动,在流动至上球壁的过程中,部分气体向四周扩散,整体上气体的流动混合过程主要集中在四个喷嘴所围成的区域及球形反应区的下半部分。喷嘴朝向为下下左右的JSR中气体在水平方向的流动混合过程与前者相同,竖直方向上气体从喷嘴喷出接触壁面后迅速向下运动,在两个朝上的喷嘴附近形成了小的涡流,整体上气体的流动混合过程主要集中在球形反应区的上半部分。存在化学反应时,反应物的流动混合过程与无化学反应发生时相同,做螺旋向心运动,中间产物一氧化碳在球形反应区的中心区域产生,然后逐渐运动至球壁,但随着反应的进行,一氧化碳的摩尔分数从中心到球壁逐渐减低。最终产物二氧化碳的流动混合过程与一氧化碳类似,但不存在摩尔分数逐渐降低的过程。甲烷、正庚烷的氧化实验结果表明,新加工的JSR的实验结果与CHEMKIN中PSR模块的模拟结果表现出了良好的一致性,间接说明了新加工的JSR内气体的混合均匀性接近PSR,证明了对不同结构尺寸JSR内气体混合均匀性的模拟结果是准确可信的。