生物反应器是细胞体外培养的核心装置,在生物医药领域发挥着越来越重要的作用。搅拌式生物反应器具有工艺简单、操作方便、细胞适应性好等特点,是目前使用最广泛的反应器结构。但反应器内部流场比较复杂,无法通过理论计算得到解析解,同时机械搅拌产生的剪切力将对细胞产生损伤作用,因此非常有必要对搅拌反应器内部流动特性进行详细数值模拟研究。本文对底入式生物反应器进行了流动特性模拟,开发了适用于细胞培养环境的曲面混流搅拌桨,并对搅拌桨结构参数进行了优化设计。论文的主要研究工作和取得的成果如下:(1)建立了搅拌式生物反应器模型,采用多重参考系法(MRF)对反应器内的流场进行了数值模拟计算。模拟得到速度场与实验结果进行了比较,发现两者吻合较好,验证了模拟方法的准确性与可行性。比较了Standard k-ε、RNG k-ε和Realizable k-ε三种湍流模型的模拟结果,发现RNG k-ε模型的模拟结果与实验测量值的偏差较其他两种湍流模型大。(2)研究了RT桨、PBT桨、EE桨和B-EE桨四种搅拌桨对生物反应器流动特性的影响。结果表明,采用本文提出的B-EE桨反应器,其平均湍动能最大,剪切率水平较低,兼有良好混合性能和较小剪切率的优点,是细胞培养生物反应器的首选搅拌桨。RT桨反应器内部的流动循环与其他三种差别较大,其流动循环主要分布于邻近反应器筒壁区域,不利于物质的整体混合,所以一般不适用于底入式生物反应器。(3)曲面混流搅拌器主要结构参数包括扇叶宽度、搅拌器外径与反应器内径比和桨叶与搅拌轴的夹角。本文采用三因素三水平正交试验法,分析了曲面混流搅拌桨结构参数对生物反应器流动特性的影响。综合考虑良好混合效果和低剪切率的要求,得到最优的曲面混流搅拌器参数为:搅拌器与轴的夹角60°,扇面宽度90°和搅拌器外径与釜体内径比1/2。(4)研究了搅拌桨转速(150rpm,200rpm,250rpm,300rpm,350rpm和400rpm)对反应器内流动特性的影响。反应器内流体的湍动能、湍动能耗散率和剪切率随着速度的增大而增大。当转速为250rpm时平均剪切率为14.4(1/s),最适合细胞的生长。本文提出的曲面混流桨适用于底入式生物反应器,兼具良好混合性能和低剪切率的特点,对于生物反应搅拌器的开发具有重要的参考价值。后续的研究可围绕激光粒子成像技术(PIV)和激光多普勒测速技术(LDA)等方法进行实验测量。