搅拌是化工生产中的一种重要的单元操作,高效低耗是人们对搅拌混合技术改进的目标。研究表明,仿生波纹沟槽结构和可发挥流固耦合作用的柔性材料在降低能耗、提高动力方面具有一定优势。自然界中座头鲸鳍足、鱼类尾鳍存在沟槽结构,仿生外形可以稳定涡流,减少能量耗散和噪声。柔性材料使叶片在工作时有一定的自适应能力,随转速的变化发生形变,使能量传递过程更加平缓。从仿生学的角度出发,通过引入波纹沟槽仿生结构特征,在六斜叶圆盘涡轮搅拌桨的基础上设计了刚性及柔性仿生搅拌桨,采用数值模拟和实验测试相结合的方式研究了仿生桨的混合性能。并且使用场协同原理,从表征场量间相互关系的角度出发,利用速度场、压力场、浓度场之间的协同角对仿生桨的混合效果进行了表征。运用仿生结构设计了 7种仿生搅拌桨,通过数值模拟技术对比分析各方案的功耗和循环流强度。从功耗上看,各种仿生桨均能有效降低搅拌功耗,最大可降低8.767%;从循环流强度上看,在叶片端面设置波纹沟槽的仿生方案对搅拌槽内的循环强度提升最大;从速度与压力场协同角度看,仿生桨搅拌槽底部速度与压力梯度协同角会微幅降低,从而有利于底部区域的传质过程。以叶片端面存在波纹的仿生桨为例,对搅拌过程中不同时刻流场特性进行分析,仿生桨在搅拌初期流场速度较大,组分分散效果较好。在搅拌过程中,仿生桨流场的速度与浓度梯度协同角较小,进一步揭示了仿生桨传质效果好的原因。从各仿生搅拌桨中选取各方面性能均衡的端面波纹结构仿生桨,使用柔性材料制作仿生叶片,进行双向流固耦合仿真,与刚性直叶桨、刚性仿生桨及柔性直叶桨对比分析。结果表明,由于柔性叶片能发生变形,有一定的自适应能力,可以降低搅拌功耗,同时流场的平均速度也会随之降低,但柔性桨叶片的变形量随时间在不断变化,造成流场的不稳定性,能提高低速区域的流动速度,减弱死区。通过场协同角分布可以发现,柔性叶片会增大搅拌桨附近的速度与压力梯度协同角,从而减少流动阻力,减少能量损耗;而对于远离搅拌桨的区域会减小速度与压力梯度协同角,有利于加强传质能力。通过电阻层析成像技术,分别对刚性传统桨、刚性仿生桨、柔性传统桨、柔性仿生桨进行固液悬浮实验,并利用Maxwell方程计算得到不导电的固体颗粒的浓度分布,结果表明,柔性仿生搅拌桨的轴向浓度分布更均匀,轴向固液悬浮能力更强,能增强固相浓度分布的均匀性,改善悬浮效果,具有潜在的应用价值。