氣升式內環(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，因其傳質效率高、能耗低、結構簡單、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)和氧傳質系數(shù)等，再探索它們和各影響因子之間的關系，得出各自實驗條件下的關聯(lián)式，為反應器的設計提供經驗或半經驗依據(jù)。目前對此類反應器的選型和設計仍然主要依賴這些經驗和半經驗公式，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、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)化和混合傳質的基礎研究都具有意義。

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)值模擬結果在一定程度上需要得到實驗結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)內徑為140mm，氣液分離區(qū)內徑為211mm；導流筒內外徑分別為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，反應器內液面高度為1574mm。

模擬假定在上述表觀氣速范圍反應器內流動是定常的，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，其復雜的幾何結構給計算區(qū)域的結構化網(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相關方程的源項內容，以此實現(xiàn)對反應器供氣的數(shù)值模擬。同時，通過經驗公式的估算，設定進口氣泡的直徑在4～5mm范圍之間。

雖然數(shù)值模擬與實驗結果之間存在著一定的偏差，但模擬結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)經驗關聯(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內氣液兩相速度差是主要的傳質推動力，相間摩擦是傳質和耗能的本質，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內流體的循環(huán)速度、氣液兩相的混合傳質與氣含率、氣泡的并聚破碎行為有著直接關系。

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。