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在生物制药、食品发酵等行业中，许多反应体系都是非牛顿流体。例如黄原胶发酵大都在机械搅拌发酵罐内进行，由于黄原胶发酵液是典型非牛顿假塑性流体，中后期发酵液粘度很大，给发酵过程中氧的传递、气液混合以及热量的传递等带来了很大的困难，这就使得按照传统的半经验半理论方法设计和放大的“通用式机械搅拌发酵罐”无法胜任高粘度醪液的发酵任务。近年来，计算流体力学(CFD)方法用于研究搅拌反应器内的流动和混合特性，显出卓越的优势，对搅拌反应器的设计、优化及放大有着巨大的影响。
本文首先对机械搅拌反应器内高粘度假塑性流体的流动场进行CFD了研究，考察网格密度、差分格式、流动模型对计算结果的影响。发现增加网格数量，在一定程度上能提高预测精度；新型剪切应力输运(SST)模型的预测精度高于标准k-ω湍流模型；高精度与指定混合因子差分格式的预测精度不相上下，两者的预测精度均高于一阶迎风格式；罐内流型为典型的“双环流”结构，桨区的剪切速率较高，表观粘度较低，罐底和罐壁附近的剪切速率较低，表观粘度较高。
然后分别对传统的单层桨搅拌生物反应器和优化的双层桨搅拌反应器内高粘度假塑性流体气-液两相流流动场进行了CFD研究，发现优化后的双层桨搅拌生物反应器内的剪切速率分布更加均匀，从而使得罐内表观粘度、局部气含率的分布也更均匀，在很大程度上提高了反应器内的传质混合性能，能够满足高粘度非牛顿流体醪液的发酵任务。
本文还对假塑性流体机械搅拌反应器内的混合时间和搅拌功率进行了CFD研究。发现CFD预测的混合时间在趋势上与实验结果有很好的一致性，CFD计算的搅拌功率在趋势上与传统假塑性流体搅拌功率经验公式计算的结果也有着很好的一致性，随着搅拌转速的提高，搅拌功率逐渐增大，混合时间逐渐变小。由于CFD计算方法的原因，CFD计算的混合时间高于实验验证值。而传统假塑性流体搅拌功率经验计算公式由于考虑了机械损失、传动效率和安全裕量等因素，因此其计算的搅拌功率要比CFD模拟值略大。