氣升式內(nèi)環(huán)流生物反應器（AILBR）一般以壓縮空氣為主要的能量輸入形式，因其傳質(zhì)效率高、能耗低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、裝料系數(shù)高、可靠性好、易放大等而引起廣泛的注意。該反應器目前已成功用于細胞培養(yǎng)、微生物發(fā)酵及污水處理等領(lǐng)域，其應用面日益拓寬。

研究AILBR流動的傳統(tǒng)方法是通過實驗確定液相循環(huán)速度、氣含率、軸向擴散系數(shù)和氧傳質(zhì)系數(shù)等，再探索它們和各影響因子之間的關(guān)系，得出各自實驗條件下的關(guān)聯(lián)式，為反應器的設計提供經(jīng)驗或半經(jīng)驗依據(jù)。目前對此類反應器的選型和設計仍然主要依賴這些經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式，對其性能的優(yōu)劣很難進行理論預測。近年來，隨著計算機技術(shù)、數(shù)理方法和流體力學的發(fā)展，一門交叉學科——計算流體力學（CFD）越來越受到人們的重視，與實驗方法對比，CFD技術(shù)不僅花費少、設計周期短，而且可以獲取反應器中的速度場、溫度場、濃度場等詳細的信息，對反應器的設計、放大、優(yōu)化和混合傳質(zhì)的基礎(chǔ)研究都具有意義。

在AILBR中，氣泡既是氧的來源又是混合的動力。小氣泡在液相中停留時間長，就可保證氣泡中的氧充分地傳遞給液相，但對攪拌混合作用不大；大氣泡對提供高強度混合起著重要作用，但由于大氣泡在液相中停留時間很短,故其中的氧得不到充分利用。因此，產(chǎn)生中等大小的氣泡是比較理想的狀況。然而實際情況是在整個流動區(qū)域，每一個位置都存在各種不同大小氣及形狀的氣泡，并且氣泡間在不斷的發(fā)生并聚破碎，氣泡的大小也隨即變化。為此采用MUSIG模型來了解氣泡直徑的分布問題，同時考慮氣泡的并聚和破碎現(xiàn)象，從而計算求得各種粒徑氣泡的分布規(guī)律。

數(shù)值模擬結(jié)果在一定程度上需要得到實驗結(jié)果的驗證以反映其建立數(shù)學模型的可靠性，通過實驗采用非接觸式的PIV測速技術(shù)對AILBR下降區(qū)液體速度進行測量，可以為CFD數(shù)學模型的驗證提供詳實的數(shù)據(jù)條件。 AILBR見圖1，其主體大部分由硅玻璃制成，外筒體下降區(qū)內(nèi)徑為140mm，氣液分離區(qū)內(nèi)徑為211mm；導流筒內(nèi)外徑分別為80mm和90mm，高度為1338mm；在導流筒的底部正下方安裝有一個空氣分布器，其上圓周狀均勻分布有20個 f1mm的小孔。在常溫常壓下，以空氣和水為實驗體系，上升區(qū)的表觀氣速在0～0.04m/s范圍內(nèi)，反應器內(nèi)液面高度為1574mm。

模擬假定在上述表觀氣速范圍反應器內(nèi)流動是定常的，并且兩相流體都是不可壓的；液相水在器壁處的流動速度為0，而對分散相氣泡則設為存在滑移行為；對于進氣行為，其通過空氣分布器完成，由氣室和噴嘴組成的空氣分布器，其復雜的幾何結(jié)構(gòu)給計算區(qū)域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分帶來了難度。本文解決這一問題的思路是：（1）在定義計算區(qū)域時只考慮氣室而忽略噴嘴部分；（2）在CFX-4.4中植入子程序USRINT計算存貯噴嘴物理位置網(wǎng)格節(jié)點及其所代表的控制容積的編號；（3）通過子程序USRSRC替換存貯控制容積內(nèi)相關(guān)方程的源項內(nèi)容，以此實現(xiàn)對反應器供氣的數(shù)值模擬。同時，通過經(jīng)驗公式的估算，設定進口氣泡的直徑在4～5mm范圍之間。

雖然數(shù)值模擬與實驗結(jié)果之間存在著一定的偏差，但模擬結(jié)果很好的抓住了實驗值分布和變化的總體特征，并且主體流動兩者的偏差在20％以下，低于傳統(tǒng)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的一般計算誤差（30～40％）。將該CFD數(shù)值模型應用于氣升式生物反應器這樣復雜流場的預測是可行的，其具有工程應用價值。

表觀氣速為0.032m/s時，氣液兩相速度中心線軸向分布特征基本一致。進氣口速度值zui大，隨著軸向高度的增加，為克服壁面摩擦、相間摩擦以及形體阻力做功，兩者速度有一定的下降，到氣液分離區(qū)，氣液兩相速度同時又有一定幅度的增加，可能主要是分離區(qū)漩渦運動加速所致。從比較來看，兩者間存在較大的滑移速度，這樣的滑移速度隨著表觀氣速的增加有著加大的趨勢。

AILBR內(nèi)氣液兩相速度差是主要的傳質(zhì)推動力，相間摩擦是傳質(zhì)和耗能的本質(zhì)，只有維持一定的通氣壓頭才能保證這樣的相間相對滑移速度，輸入能量大部分用來抵消氣液相間摩擦所引起的能量耗散。AILBR內(nèi)流體的循環(huán)速度、氣液兩相的混合傳質(zhì)與氣含率、氣泡的并聚破碎行為有著直接關(guān)系。

局部氣含率是氣液兩相流中的一個重要參數(shù)，直接影響質(zhì)量傳遞、熱量傳遞及反應速率。從表觀氣速為0.032m/s時局部氣含率的徑向分布比較來看，氣含率的zui大值出現(xiàn)在導流筒內(nèi)部，相比較于上升區(qū)，下降區(qū)的氣含率低甚至為0。從分布的雙峰形來看，分布器噴嘴的形式是影響局部氣含率分布狀況zui主要的因素。離分布器距離越遠，局部氣含率分布相對越平緩。隨著表觀氣速的增大，分布整體抬高，但對下降區(qū)影響不大。