发酵反应在燃料乙醇生产过程中占有重要的地位,然而目前生物发酵反应器的设计仍主要依赖于经验。依赖经验的生物发酵反应器的设计方法受诸多因素的限制,往往达不到预期的设计效果。利用计算流体力学(CFD)方法来辅助工业设计能够弥补经验设计方法的不足,有助于技术创新和理论发展。生物发酵反应过程中伴随着二氧化碳气体的产生,产生的气体在发酵液中以不同尺寸气泡的形式存在,这些气泡不仅影响着发酵体系的局部组成和流场状态,还会对搅拌体系的输入功率等产生影响。这些影响在大型生物发酵反应器中更为显著,因而有必要在对大型发酵罐建立模型时考虑气体的产生和分布。本文利用CFD方法研究了大型侧搅拌发酵罐。在考虑发酵液的非牛顿粘性的基础上,通过定义相间反应的方法描述了气体的产生,并分别采用单一尺寸气泡模型和群体平衡模型描述气泡在发酵体系内的分布状态。对比模拟结果发现,群体平衡模型(Population Balance Module,PBM)因其可以描述气泡的产生、聚并与破碎并给出不同尺寸气泡在发酵体系中的分布,而能够更准确的描述气液两相流场。模拟结果表明多个侧入式搅拌桨对罐底流体的搅拌效果明显,只是在罐底中心处速度值较低,如何防止此处固体颗粒的沉积,是搅拌发酵罐设计中需要重点考虑的问题。通过对气泡尺寸分布的描述,发现由于气体的产生和逸出,改变了罐体上部的流场状态,这有利于固体颗粒在罐中上部的悬浮。这些发现对于工程设计有重要的指导意义。通过建立的模型,考察了搅拌桨设置方案对流场分布的影响,并比较不同搅拌方案下的流速和湍流状态,得到了较优的设计方案。