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气液搅拌釜作为工业生产中的关键基础设备,广泛应用于石油化工、食品化工、生物化工、能源化工、环境化工等工业领域。搅拌釜内涉及复杂的气液两相流动,气液两相之间相互耦合,存在复杂的相互作用。操作条件以及结构形式的选择,对搅拌釜内的相含率、离散相的混合程度、相间传热传质特性等具有不同程度的影响。因此,本文针对气液搅拌釜内复杂的流场特性,采用数值模拟与实验验证相结合的方法,研究带有六弯叶桨和上翻六折叶桨组成的组合桨(6BT+6FT_U)以及六弯叶桨和下压六折叶桨组成的组合桨(6BT+6FT_D)的双层气液搅拌釜内流场特征和气泡的分散特性,并设计出穿流六弯叶桨以减轻搅拌过程中桨叶背液面的气穴现象,为气液搅拌釜的高效混合及性能优化提供一定的理论参考。本文首先通过摄像法捕捉通气搅拌实验中的通气搅拌状态图像和气泡运动形态及其分散状态,发现气泡在搅拌釜中具有形态各异,尺寸不一等特性,气泡之间存在聚并与破碎现象,且操作条件、桨组合方式对气泡的尺寸及分布都有影响。针对气泡的复杂形态及行为特征,采用Fluent流体仿真软件,在CFD的基础上耦合群体平衡模型,建立起既能反映气液搅拌釜内流场特征又能反映气泡尺寸及分布的CFD-PBM耦合模型。为了验证模型的正确性,采用形态学图像处理技术处理所拍摄的气泡图片并统计得到搅拌釜近壁区气泡的平均尺寸,将该结果与数值模拟结果进行比较,并从功耗方面以及与文献数据角度进一步对比验证数值模拟结果,上述数据与运用所建模型得到的模拟结果吻合度较好,说明本文所建CFD-PBM耦合模型具有可靠性。基于CFD-PBM耦合模型,从流场结构、气含率、气泡尺寸及分布等方面系统研究了带有6BT+6FT_U组合桨和6BT+6FT_D组合桨搅拌釜的气液分散特性,研究表明:气相与液相之间相互作用,气相对于上升的流型具有促进作用,对于下降的流型具有弱化作用;转速及通气量与气含率具有正相关性,且循环体、桨叶背液面均具有较高局部气含率;气泡尺寸与转速负相关与通气量正相关,尺寸主要集中于3.5-5.5mm之间,桨叶背叶面、循环体区域气泡聚并现象严重,搅拌桨排出流区域尺寸较小;6FT_U桨对流体具有上提特性,迎合了气泡逃逸主速度,气体在其附近流通性更好,而6FT_D桨对流体具有下压特性,6FT_D桨附近及其上部靠近轴处气体聚集现象严重,分散性较差。针对桨叶背液面存在的气穴现象,设计出开孔率为7%的穿流六弯叶桨(6BPT),并基于CFD-PBM耦合模型,研究了该桨与6FT_U桨组成的组合桨的气液分散特性,研究表明:与6BT桨相比,6BPT桨有效增强桨叶背液面流场的局部湍动及桨叶附近的切应力,可以有效减轻桨叶背液面气泡的聚集效应,降低桨叶背液面气泡尺寸,对减轻气穴现象有良好的效果;在所研究工况下,相对于6BT+6FT_U组合桨,6BPT+6FT_U组合桨能够使搅拌釜内气泡尺寸分布更加集中,在120rpm转速,通气量为0.2vvm、0.4vvm的工况下,4mm尺寸组占比最大,且底层桨的气含率略微提升,因此6BPT+6FT_U组合桨对于搅拌釜内气液的分散具有较好的适用性。