射流搅拌反应器(Jet-stirred Reactor,JSR)是研究燃料氧化和热分解过程的重要基础研究试验装置之一,主要适用于气相动力学的研究,其最大优点是具有高效的气相混合效率,这使得反应器内及其出口处的各组分浓度基本相同。本文在经典的JSR结构基础上进行了改进,并评估了其内部温度场的不均匀性。本文以经典的倾斜式JSR结构为基础,通过CONVERGE软件计算得到停留时间分布曲线和累积分布函数曲线,同时与理论曲线进行对比,验证不同喷嘴直径与球形反应器半径对停留时间分布曲线和累积分布函数曲线预测的准确性。然后从宏观和微观两个尺度分析了试验气体在给定的不同喷嘴直径和反应器半径的JSR内的混合均匀性,在特定几何结构下给出了较优的几何尺寸。设计并加工了一套JSR试验装置,分别开展了贫燃、化学当量和富燃条件下的甲烷氧化试验,并将试验数据与文献中试验数据和CHEMKIN软件的PSR模块模拟数据进行对比,验证了试验装置的数据测量准确性。随后,本文基于CONVERGE软件建立了模拟甲烷-氧气-氮气在JSR内流动与氧化的三维模型。根据上述试验数据对三维模型计算得到的温度场与组分浓度进行了验证。最后根据JSR三维仿真结果,从全局与局部两个方面对JSR内的温度场不均匀性及造成温度场不均匀的原因进行了分析,并提出了建议。研究结果显示,JSR喷嘴直径为0.2 mm时,计算得到的停留时间分布曲线与累积分布函数曲线均与理论模型曲线更为接近。因为平均停留时间相同的条件下,小直径喷嘴可以获得更高的气体喷射速度,进而有更大的湍流强度和更长的贯穿深度,所以能够获得良好的气体混合均匀性,其混合均匀度可以达到0.999以上。同时,评价其微观混合状态的βτ值为59,大于30,微观混合状态良好。模拟结果还显示,反应器中部二氧化碳浓度比近壁面处的二氧化碳浓度要高,该区域的二氧化碳具有更长的停留时间,在相同时间内,球形反应器半径较小时从反应器中流出的二氧化碳比例更大,可以认为在反应器直径较小的条件下气体的“死循环”程度更低,更接近理想状态。据此确定的JSR几何尺寸(喷嘴直径为0.2 mm,球形反应器半径为20 mm)在平均停留时间为0.5 s、0.8 s和1.0 s的条件下均可以对停留时间分布曲线与累积分布函数曲线有较为准确的预测。据此结构和尺寸加工了JSR试验装置,并在不同当量比条件下开展了试验。在与文献中实验数据和PSR模块的模拟数据的对比中,也表现出良好的一致性。充分说明据此结构和尺寸加工的JSR实验装置是可靠的。对模拟甲烷氧化过程的三维模型研究结果显示,本文中所建立的三维计算模型对JSR中甲烷氧化后的温度场以及各组分浓度的预测是可靠的;对反应后测温点温度的预测中,最大的绝对误差为4.6 K,相对误差仅为0.4%;在组分浓度的预测中,当量比为0.5时氧气摩尔分数的相对误差最大,为13.6%,其余均在10%以内。考虑到气相色谱仪精度等不可避免的系统误差,本文建立的三维计算模型的计算精度是可以接受的。