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搅拌反应器广泛应用于农业、化工、医药、生物发酵以及冶金行业的生产过程中,用来实现物料间的混合。为了促进经济的发展,同时实现生产的绿色化和节能化,必须要求搅拌反应器内具有良好的混合性能,这需要对搅拌过程中的工艺参数以及搅拌设备的结构进行优化研究。近些年,计算流体力学(CFD)方法在搅拌反应器内流场的模拟研究中应用愈发广泛,为进行搅拌反应器内的设计和优化工作提供了可靠途径。此外,混沌混合理论的发展也为探究搅拌反应器内的混合效果提供了可靠的依据。本文首先在搅拌生物反应器内进行了出芽短梗霉生产普鲁兰多糖的发酵实验,测量了某一时刻下反应器内不同搅拌转速和通气速率的气含率数据。应用CFD方法建立了搅拌生物反应器内气液两相流的数值模型,获得了相同时刻和工况下流场的气含率数据,并将模拟的气含率数据与实验的气含率进行了对比,结果显示二者具有良好的一致性,从而验证了CFD模型的准确性和可靠性。其次,对搅拌生物反应器内出芽短梗霉生产普鲁兰多糖的发酵液黏度进行了实验测定,获得了高决定系数的生物量浓度与稠度指数和流动行为指数的回归方程以及稠度指数与发酵时间的回归方程(R~2>0.95),从而确定了整个发酵过程具有代表性的低、中、高3个黏度阶段。对每个阶段下反应器内的流场进行了CFD数值模拟,再结合Taguchi方法以气含率和搅拌功率为指标,对搅拌器类型、通气速率以及搅拌转速3个因素进行了极差分析和方差分析,探究了3个因素对气含率和搅拌功率的影响程度,并提出了优化的工艺方案。然后,应用PIV技术对搅拌反应器中单相水体系的搅拌过程进行了实验研究,获得了流场的轴向速度、径向速度以及湍动能数据。应用LES方法建立了相同体系下的数值模型,将实验与模拟所获得的各项流动参数信息进行比较发现了二者具有良好的吻合性,从而验证了所建模型的准确性和可靠性。最后,参考其它文献对搅拌器的设计理念,开发了新型的扭转斜式挡板。应用LES方法建立了新型挡板下搅拌反应器内流场的数值模型,分别采集了标准挡板和新型挡板下搅拌反应器内流场系统变量的时间序列,对比分析了两种挡板下流场的最大Lyapunov指数以及功率消耗情况。结果表明新型挡板与标准挡板的功耗相同,但具有更大的最大Lyapunov指数,因而混沌混合性能更好。