光合生物制氢是实现秸秆类农业弃物资源化利用和能源产出的重要途径。对于光合生物制氢体系,氢气泡之间的相互作用以及氢气泡与产氢料液之间的相互作用,直接影响着相间传热传质速率与光合细菌的运动、分布和生长代谢,进而决定产氢效果。在氢气的产生过程中,时常伴随碰撞、弹开、挤压、聚并以及破碎等氢气泡的运动行为,对氢气泡特性的充分认知是分析生物制氢体系热值传递过程的基础。因此,本文采用欧拉-欧拉多流体VOF方法,对产氢料液中的氢气泡特性进行数值模拟。首先,建立了光合生物制氢体系中氢气泡上升过程的物理和数学模型。计算过程中分别将连续表面张力模型和描述产氢料液流变性质的幂律模型加入到MVOF方法中,主要考虑浮力、粘性力、表面张力、相间作用力和惯性力的作用。搭建了玉米芯发酵液高速摄像台架,获取了氢气泡上升过程中的实验数据,实验数据与模拟预测具有很好的一致性,确定了模拟过程的可靠性。其次,针对单氢气泡,考察了气泡初始直径、料液流动指数和表面张力等因素对气泡形状、上升速度等气泡运动行为和周围液相流场变化规律的影响。结果表明,随着气泡初始直径的增加,气泡上升速度的最高值也增大,但气泡纵横比会变小。当直径超过8 mm时,氢气泡由于表面不稳定而发生破裂。当流动指数为0.2时,氢气泡上升出现左右摇摆振荡的现象。此外,氢气泡的变形程度还随着表面张力和流动指数的减小而增大,其上升速度的稳定值随着表面张力的减小和流动指数的增大而减小。运动氢气泡周围液相的x和y方向速度分量随初始直径的增加和流动指数的减小而增加。进一步的,针对等尺寸双氢气泡,分别在垂直和平行两种气泡位置关系下,探究了气泡初始间隔、初始直径和产氢料液的流变性质等因素对气泡聚并、破裂行为的影响。结果表明,对于两平行气泡,气泡凝聚的无量纲临界水平间隔,随着初始气泡直径的增大和流动指数的降低而减小;气泡之间的排斥作用主要是气泡间的涡旋产生的推离效应所引起。并且排斥作用随着气泡初始中心间距的减小而增大。对于两垂直气泡,气泡对的中心间距影响领先气泡和尾随气泡之间的相互作用强度。当两个垂直氢气泡相互作用时,尾部气泡的速度呈现出四个阶段的变化,即加速到最大速度—减速—速度小幅上升—减速到合并速度。领先气泡在尾部气泡的推力作用下,速度也有一个短暂的提升。直径为2 mm和4 mm两平行或者垂直氢气泡的聚并作用和降低产氢料液的流动指数均能提高氢气泡的上升速度。此外,当氢气泡从固液界面逸出时,体积迅速减小,上升速度发生跳跃。最后,研究了不等尺寸气泡对的运动行为和相互作用。主要考察了初始直径比例和放置位置对氢气泡上升速度和聚并过程的影响。结果表明,对于两水平放置氢气泡的尺寸相差越大,小氢气泡就越早的处于大氢气泡的尾部,则聚并后上升的速度就越快。对于两垂直放置氢气泡聚并的方式均是直接融合而不需要排液过程。无论哪种尺寸的氢气泡处于领先位置,合并后的氢气泡速度均比大氢气泡对应的同尺寸单氢气泡速度低。