本文研究了20 L热管生物反应器(HPBR)的流场,采用粒子成像测速仪(PIV)对该反应器内的流场进行了测定,以计算流体力学(CFD)为基础结合反应器内流场实验数据,拟合验证了该反应器中动量传递数学模型,为热管生物反应器的分析、开发及工业放大设计提供了基础模型。采用PIV测速技术成功地测定了该搅拌式反应器在各种工况下的典型流场,为搅拌式反应器提供了成熟的流场测试实验技术,这为定量、详尽地了解、分析、模拟HPBR的动量传递过程提供了基础实验数据。均相牛顿流体在层流状态(搅拌转速为40r/min)下,流速、涡量较小,其典型截面(搅拌桨所在截面)径向流速、轴向流速平均值为(0.107633,0.072766)m/s,涡量平均值为(1.042773,0.514864)rad/s,流场较均匀,流体混合较好,其流动形态具有代表性: 在反应器中部(R/Re=0～0.66)圆柱体流体为自上而下等速运动,其典型截面(搅拌桨所在截面)的流体基本按半径方向作等速流动,其它截面流体作偏离半径方向或近似圆周运动;该轴向向下流动的流体遇器底四射至周边折返成向上流动,这导致R/Re=0.66～0.75左右圆环体流体向下的流速陡降,而R/Re>0.75的自下而上运动的周边圆环体流体就与中部作反向流动流体基本形成了反应器内连续、循环的流动过程。在R/Re=0.9左右这股向上流体进入边界层。流体混合程度随搅拌转速提高而增强,与层流状态相比,低湍流状态(搅拌转速为180r/min)时的流速增加流体混合较好,搅拌桨所在截面径向流速、轴向流速平均值为(0.169363,0.151309)m/s,涡量平均值为(1.77503,1.803696)rad/s。应用流场实验测量的数据验证了采用CFX进行数值模拟的结果。模拟计算了水在各种操作条件下的流场,层流状态下其流场计算值与实验测定值之间的平均误差分别为10.7%、9.1%,湍流状态下平均误差为15.6、14.8%,低于采用传统经验方法的计算误差(30%～40%),这为分析反应器内的传递过程提供了可靠的机理模型与计算方法。在所有的操作条件下,一般位于器内壁和器内管体等构件的传递阻力高的边界层区域模拟计算值与实验值间的误差较大。本论文模拟计算结果表明:①经典的Navier-Stokes方程是描述层流状态下流体动量传递可靠的机理性方程,应用该方程模拟计算反应器中层流状态下所有体系的流场,拟合误差<WP=5>远小于经验方法的误差。②用模型描述湍流下流体动量传递过程,简化了实际的湍流复杂过程,用该模型能有效地模拟反应器中流体流速分布,其拟合误差略高于层流时的误差。热管生物反应器基于热管的原理,解决了传统生物反应器的温度分布不均匀、传热效率低等问题。对热管生物反应器传递过程的深入研究将有力地促进我国新型生物反应器的开发及生物技术进步。