很多涉及氧化反应或氢化反应的过程都需要用到气液分散搅拌桨,如生物发酵过程中需要维持一定量空气以满足微生物对氧的需求。径向流搅拌桨是应用最广泛的气液分散搅拌桨,是通气式机械搅拌罐中的关键装置,也是搅拌系统中的主要耗能部件。随着工业生产规模扩大以及能源逐渐短缺,设计开发一种低功耗、高效率的新型气液分散搅拌桨变得尤为重要。本文通过理论分析、计算流体力学(CFD)模拟和实验测试相结合的手段设计开发一种新型气液分散搅拌桨,并对其进行性能表征。通过CFD模拟分析平直叶桨(RT)、半圆弧桨(CD)和非对称抛物线形桨(BT)三种传统径向流搅拌桨结构和性能特点,发现其演化趋势是功率准数更低、泵送效率更高、轴向覆盖面积更大。同时研究不同桨叶外缘结构和尺寸对搅拌性能的影响,结果表明桨叶外边缘顶点曲率增大可减小功率准数和提高泵送效率,轴向高度减小可使功率准数减小但对泵送效率提升不明显。然后提出新颖的扇环抛物面形桨叶结构设计,发现装配该桨叶的扇环形搅拌桨(FT)表现出最佳操作性能,与传统桨中效果较好的非对称抛物线形桨(BT)相比,其功率准数下降30.8%,泵送效率提高22.6%,轴向投影面积率增加21.5%,具有应用于气液操作时高效传质的潜力。基于3D打印技术加工制作新型FT桨和工业上常用的气液分散搅拌桨RT和BT。实验测试新型FT桨在通气条件下操作性能,并与另外两种搅拌桨对比。结果表明:FT桨功率准数较低,为1.7左右;相对功率需求(RPD)更高,高转速搅拌时接近1.0;临界分散转速比BT略低,明显高于RT;气含率和体积传质系数与BT相近,均高于RT;FT桨氧传质效率明显高于RT和BT,约比RT提升40~70%,比BT提升17~40%。使用粒子成像测速技术(PIV)测试流场速度,并结合其他实验数据验证所建立CFD计算模型可靠性。然后基于CFD手段分析新型FT桨的微观特性,并在相同条件下同RT和BT对比。结果表明:FT桨速度分布规律与BT桨相近,不同于RT桨;在大部分位置上,FT桨的流场速度、剪切力、湍动能和湍动能耗散率的值均小于RT桨,但FT桨特性参数值分布更加均匀,BT桨特性介于RT桨和FT桨之间。通过气液两相流模拟得到,BT桨流场中气泡数量最多,FT桨次之,RT桨最少,但FT桨流场中的小尺寸气泡占比最高。