高剪切混合器作为一种新型过程强化设备,具有局部超高的湍动和剪切作用,使其在混合、乳化、多相分散、反应等工业过程中有巨大的潜在应用价值。本文考察了高剪切混合器在高黏流体工作条件下,关键结构参数对其流体力学性能及功耗的影响。并结合停留时间分布进行了腔室结构优化,对高剪切混合器的设计、选型、优化具有指导意义。首先,采用CFD模拟手段对管线型高剪切在牛顿流体和非牛顿流体工作流体下,研究关键结构齿尖-基座间距与剪切缝隙宽度对其流场和功耗的影响。采用扭矩传感器测定功耗进行功耗验证,其他设计形式的混合器运用大涡模拟和层流模型对高剪切混合器在湍流状态和层流状态下分别模拟计算。结果表明,随着齿尖-基座间距、剪切缝隙宽度的增加,剪切力和湍动强度大大减小,并且死区区域增加。层流状态下功耗准数Kp与剪切速率常数Ks均高于其搅拌釜的值,Kp、Ks的关联式与齿尖-基座间距在轴向方向的无量纲距离f/(f+h)呈直线关系,与剪切缝隙宽度在径向方向的无量纲距离g/h呈指数关系。其次,基于CFD的方法,结合大涡模拟湍动模型和组分物料输运模型预测了四种不同定子开孔形式混合器(圆孔、菱形孔、“S”型及齿型)的停留时间分布,实验与模拟得到的停留时间分布趋势大致相同仅出峰高度略有区别,并优选出圆孔定子。随后,需要对其腔室外壳结构进行结构优化。结果表明缩短腔室轴向距离、蜗壳形式、切向出口对非理想流动状况的改善有很大帮助。