气泡周围动量和质量传递过程广泛存在于许多重要工业过程中,典型设备如固定床反应器、流化床反应器等,对其进行研究十分必要。目前,基于数学分析和实验结果,可以在很宽范围内对气泡向牛顿流体中的传质过程进行预测,而对化学、食品、聚合物工艺过程中广泛遇到的非牛顿流体中相类似情况的研究却非常少。因此,对非牛顿流体中气泡周围的动量和质量传递过程进行研究具有非常重要的意义。采用显微激光全息干涉法分别对水和非牛顿流体(PAM水溶液)中固定气泡周围液相侧浓度分布进行了研究。通过图像采集系统对干涉条纹的变化进行实时记录,并通过数字图像处理技术对干涉条纹图进行处理,计算得到了传质达到稳态后液相侧浓度分布和近界面浓度。实验结果表明:随着PAM含量的增加,溶液的黏弹性增大,导致近界面浓度总体呈下降趋势,但下降幅度逐渐减小。与水中近界面浓度相比,相同条件下PAM水溶液中的近界面浓度小于水中的近界面浓度;而PAM水溶液的剪切稀化特性使得近界面浓度随液相主体流速的增大逐渐减小的趋势减慢。采用粒子成像测速仪(PIV)对牛顿流体(甘油溶液)和非牛顿流体(PAM水溶液和CMC水溶液)中固定气泡及运动气泡周围的流场进行了测量。实验结果表明:甘油溶液的黏度抑制了气泡周围漩涡的形成;在泡尾区,随着距气泡中心距离的增大,y方向速度分量逐渐减小。而在PAM水溶液和CMC水溶液中,气泡周围存在漩涡结构,并且在泡尾区出现一个低速区。以Navier-Stokes方程和对流扩散方程为基础,结合表面张力模型和渗透模型推导出非牛顿流体中气泡与周围液相间的动量和质量传递方程。通过VOF方法对气泡的生成过程和固定气泡的传质过程进行了模拟,模拟结果与实验结果吻合良好,验证了模型的正确性。在此基础上,对幂律型非牛顿流体(n<1)中固定气泡和运动气泡周围的流场及浓度场进行了模拟。幂律指数n增大,固定气泡泡尾区的浓度分布区域减小。对于单个椭球形气泡的上升过程,变形率小于2,泡尾区浓度分布云图呈长尾形,而变形率大于2,泡尾区浓度分布云图分叉。在线气泡上升时,两个气泡在相互作用范围内,下面气泡受到上面气泡的影响,泡顶区浓度边界层被拉长,与上面气泡泡尾区浓度分布相连。两个气泡靠近过程中,上面气泡周围的漩涡结构逐渐消失,气泡中间的浓度分布区域变宽;随着聚并后气泡的变形,泡尾区的浓度分布区域两侧出现分叉;随着聚并后气泡的上升,其周围的浓度和速度分布逐渐趋近于单个气泡的上升过程。