鼓泡塔反应器在能源、化工、环保等领域有广泛的应用。这类反应器内的流动是典型的多尺度问题。液体在气相驱动下产生显著的湍流脉动,相界面由于气泡聚并、破碎而发生动态变化。本文的主要研究目标是将能量最小多尺度模型应用到气液泡状流体系,研究气液体系内的多尺度结构与稳定性条件。　　 第1章综述了鼓泡塔反应器流型过渡的实验研究与理论研究成果,以及近年来计算流体力学方法(CFD)在鼓泡塔反应器和浆态床中的研究进展。　　 第2章对单气泡尺寸模型(SBS)和双气泡尺寸模型(DBS)进行了系统的研究。将气液体系划分为宏尺度能量输运、介尺度能量输运+耗散和微尺度能量耗散过程,在此基础上本文认为气液、气固、单相湍流体系的稳定性条件可以统一表述为:微尺度能耗取最小值,介尺度能耗取最大值。应用DBS模型对鼓泡塔内的流型过渡进行了研究,在空气-水体系中预测到气含率在表观气速Ug=0.128～0.129 m/s之间发生跳变,分析认为该跳变代表了流型过渡的第二转变点,即由过渡流转变为湍动流。研究发现DBS模型还可以反映物性对流型过渡的双重影响。　　 为了研究能量最小多尺度方法对不同体系的共性特征,第3章对气固与气液体系的EMMS模型进行了类比。基于模型解空间的分析,二者的类比揭示了两相流流型过渡与结构参数分支的内在关系:流型过渡发生时系统的状态在两条分支之间发生切换,EMMS模型定义的微尺度能耗是连续的,而气含率存在突变。实现了气固EMMS模型的GPU求解,模型求解速度提高了60～100倍。推动了该模型的应用。　　 鼓泡塔反应器的CFD模拟具有重要意义,第4章提出DBS整体曳力模型并与双流体模型耦合,对鼓泡塔进行了模拟。均匀进气时预测的气含率径向分布和液速径向分布与实验值吻合较好。不过在单孔进气的情形,由于中间气泡集中且较大,DBS曳力模型高估了气液相间作用,需要建立局部曳力模型加以改进。　　 浆态床是鼓泡塔反应器的重要应用形式(如浆态床费托合成技术),第5章研究了浆态床的轴向浆液浓度分布,基于对颗粒团聚的分析提出一种液固相间作用模型,预测到液固之间微弱的滑移速度,轴向浆液浓度分布的模拟结果与实验结果一致。