气液界面传质过程广泛存在于搅拌釜、鼓泡塔、气升式环流反应器、精馏塔、萃取塔、撞击流反应器等单元设备中。理解气液界面传质过程对于设计和优化这些单元设备具有重要意义,但目前关于气液两相传质过程的理论尚不完善,现有的理论模型仍存在不足。例如,经典的传质模型(渗透理论模型、表面更新模型等)过于理想化、一些模型参数(如表面暴露时间)不能准确测量等。因此,这些模型在实际应用时常有较大局限性。本文围绕如何深入研究界面传质机理并建立合理的理论模型,开展了以下两个方面的工作。首先,本文推导、构建了气液界面传质机理解析理论模型。使用特征线法,以二维非稳态对流扩散、传质方程为出发点,推导了一个新的传质系数模型。该模型在全能谱范围内考虑了不同尺度流体微元对传质速率的贡献,可用于预测湍流条件下液相侧传质系数。前人模型大都采用所有涡旋均可抵达气液界面的假定,但本文经过分析认为,该假定未考虑不同涡旋抵达界面概率的差异性,因而不合理。本文引入了涡旋抵达界面的概率密度分布函数,可以不再采用上述假定。此外,本文还考虑了湍流中不同尺度涡旋数目密度、气泡尺寸、气泡表面变形与摆动对传质过程的影响。本文非稳态模型预测的平均传质系数与文献报道实验数据吻合良好。然后,本文使用数值模拟方法对气液界面传质过程进行了研究。从气液两相三维对流、扩散方程着手,推导了一个新的描述气液界面传质过程的单流体浓度输运模型。为求解这个三维传质模型,本文使用了有限体积法来对其进行离散,并使用VOF法来跟踪气液界面。同时,本文使用开源软件OpenFoam为平台,开发了上述三维传质模型的求解器程序,并采用PIMPLE算法来求解速度与压力耦合方程。运用构建的求解器程序,对不同直径气泡在静止流体中上升的过程进行了数值模拟,并分析了气泡上升的轨迹、速度、表面变形等对气液界面传质过程的影响,估计了液相侧的局部传质系数。本文数值模拟的结果与前人报道的实验结果吻合良好。