搅拌槽反应器由于其对流体力学性能控制的灵活性而被广泛应用于化工、生物、石油、制药、食品、水处理以及冶金等过程工业中。随着工业化生产规模的扩大,大型气-液搅拌设备的优化设计也变得更为重要。随着气-液搅拌槽高径比的增加,传统上针对单、双层搅拌桨体系的研究已难以满足设计需求。为此,本文结合实验和计算流体力学(CFD)两种方法对多层桨气液搅拌槽内的流体力学性能进行详细研究,研究结果可为大型搅拌设备的优化设计提供参考和指导。本文首先在直径T=0.476m的标准椭圆底搅拌槽中,对上提操作的四宽叶翼形桨(WH)为顶层、中层桨,半椭圆管盘式涡轮桨(HEDT)为底桨的组合桨搅拌槽内常温态下的气-液分散特性进行了研究。结果表明：当顶层桨径为0.50T时,顶层桨叶上方的局部气含率的极值接近55%；顶层桨叶上方局部气含率极值随着顶层桨叶尺寸的减小而减小；当顶层桨径为0.33T时,顶层桨叶上方局部气含率已无明显极值,轴向局部气含率的分布较其他几个桨径更加均匀。本文还在直径T--0.476m的标准椭圆底不锈钢搅拌槽内进行了非常温条件下的气-液两相流体力学性能的实验研究,采用半椭圆管盘式涡轮桨(HEDT)为底桨,下压操作四宽叶翼形桨(WH)为顶、中两层桨的三层组合桨。结果表明：搅拌槽内的局部气含率随着温度的增加而减小；热态体系中,表观气速VS变化对平均局部气含率的影响小于常温体系；在r/R为0.85处,平均局部气含率随着输入功率增加而增加,且此处的平均局部气含率要大于r/R为0.7处。为满足大型气-液反应器优化设计需求,本文在内径为T=0.476m搅拌槽内,液位高度H为1.66T时,采用抛物线型圆盘涡轮桨(PDT)为底层桨,中、上两层为长薄叶螺旋桨(CBY)的组合桨型,对临界分散特性、通气搅拌功率和整体气含率进行了定量研究,其中桨叶直径D分别为0.30T、0.33T、0.37T和0.40T。在整体气含率的研究中,当单位质量功率消耗相等时,较低表观气速时的整体气含率随桨径增加而增大；在中等表观气速时,不同直径的组合桨整体气含率差别不大；而当表观气速较大时,整体气含率随桨径的减小而增大,尤其是D/T=0.33的组合整体气含率明显高于其他三种组合。本文还采用双电导探针对气液搅拌槽内局部气含率分布和气泡尺寸分布进行测定研究。在单位质量功率消耗相等的情况下,表观气速较低时,不同直径的组合桨局部气含率分布差别不大；当表观气速增加时,D/T=0.30的局部气含率大于其他几个桨径,且这一趋势随表观气速增加变得更为明显。本文利用相位解析的Stereo-PIV (SPIV)技术对T=0.284m搅拌槽中不同直径的PDT+2CBY组合桨的平均速度场、湍流动能以及湍流动能耗散率进行了研究。结果表明,等单位质量功条件下,对于上中两层CBY而言,桨径的变化对无因次化的湍流动能影响不明显；对于底层径向流PDT桨叶而言,大桨径PDT射流区域内的无因次化湍流动能稍大。对于桨径较大的组合桨,其无因次化的湍流动能耗散率比小桨径的要大。等雷诺数条件下,桨径较小的组合桨其无因次化湍流动能较小,而顶层桨叶区的湍流动能比中层桨叶区的较大。桨径较小的组合桨其无因次化湍流动能耗散率也较小。为获取更为详尽的气-液分散信息,本文采用CFD方法计算了多层组合桨气-液搅拌槽内的局部气含率分布、气泡尺寸分布,模拟结果与实验值较为吻合。同时,在CFX商业软件基础上,利用PERL语言汇编了大涡模拟的数据导出、处理程序,对SPIV实验采用的搅拌系统运用SSL, WALE和DSL三种模型进行大涡模拟,并与SPIV结果进行对比,三种亚格子模型中,DSL模型预测结果较其他两个亚格子模型与实验值更接近,但各方向速度的数值模拟的结果略大于实验值。