搅拌是混合的基本操作单元,已被广泛地应用于工业生产中,尤其是机械搅拌在目前搅拌方式中具有便于管理、灵活操作、混合强度容易调节以及混合效率高等优点。机械搅拌混合的流体大都是非牛顿流体,具有与牛顿流体不同的流变性质(弹性效应,剪切稀化以及剪切变稠),这使得对非牛顿流体混合的研究更加艰难。目前对非牛顿流体搅拌研究以数值模拟计算居多,相关的试验研究较少。为了填充对机械搅拌槽内非牛顿流体流场流动试验研究的空缺,本文基于粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)对在搅拌槽内轴流式搅拌桨混合非牛顿流体流场流动特性进行了较为深入的研究。本文采用4种流数相似但结构不同的轴流式搅拌桨,分别为:(1)四斜叶桨(4PBT/45°)、(2)六斜叶涡轮桨(6PBT/45°)、(3)Lightnin-A300桨(Lin-A300)、(4)Lightning-A315桨(Lin-A315)。运用PIV技术对4种搅拌桨在搅拌槽内搅拌非牛顿流体流场流动特性进行试验研究,试验分别从时均流场分布、无因次化流速分布、涡量分布以及湍动能分布等方面分析了不同结构搅拌桨产生的流场分布、不同转速对流场分布的影响以及不同流变特性对流场分布的影响。试验结果表明,搅拌桨结构影响流场流型的分布、涡量的分布以及流速的大小,同时也影响主循环流的位置、流动的范围以及搅拌桨下部反向循环流流动的范围。对比4种搅拌桨流场试验结果,发现4PBT/45°桨搅拌效果最好;搅拌转速的变化不仅改变流场的流型,也改变流场的流速分布、湍动能分布以及涡量分布的位置和大小。黄原胶溶液浓度的增大即流变指数的减小,影响了主循环流的流动范围,使搅拌桨下部区域的流动强度发生变化,故高搅拌转速对提高混合效果是非常有必要的。试验测试了不同质量分数黄原胶溶液的流变特性,得出其表观粘度与剪切速率的关系,符合Herschel-Bulkley流变模型,用于数值模拟中非牛顿流体的定义。利用商业软件Fluent基于Realizable k-ε湍流模型和大涡模拟对机械搅拌槽内非牛顿流体流场流动特性进行数值模拟研究,采用滑移网格法处理搅拌桨运动区域,运用Herschel-Bulkley流变模型定义非牛顿流体性质。数值模拟通过Realizable k-ε湍流模型和大涡模拟所计算出的流场分布在整体上和试验流场分布趋势大致相似。通过对比分析搅拌桨下部区域流场流型和主循环流的旋转中心位置以及湍动能分布,发现大涡模拟的计算结果更接近试验结果,对比分析无因次化流速分布,得出运用大涡模拟计算的值在整体上比Realizable k-ε模型计算的值更吻合于试验结果,但仍在局部区域上存在流速分布差异。