对微藻为代表的生物质能源进行高效获取和稳定增产,提升其在全球能源消费结构中的占比,已成为应对化石燃料储备不足问题的重要对策。本文在微型生物反应器内添加了多种形状和位置的微结构,通过流场分析和可视化观察,研究了微结构对微藻富集特性的影响规律,并选出富集微藻效果最好的微结构设计方式。在此基础上,设计出3种强化富集功能的微型生物反应器,通过可视化实验与计算流体力学协同分析了微型生物反应器内的微藻生长特性和营养物质降解性能。首先,将微米级方块以不同形状排列起来,添加到微型生物反应器的中心线和两侧边缘位置。对微结构周围的流场和微藻浓度场进行仿真,利用显微镜实时观察微藻的富集现象;在仿真与实验结果的基础上,深入分析微型生物反应器内的微藻富集过程,并对不同微结构对微藻富集特性的影响规律进行归纳,发现中间凹阵列是最利于富集微藻的微结构设计方式。接着,以中间凹阵列为参照设计微结构,以不同的排布方式将其添加到3个微型生物反应器(MBR-M、MBR-MM、MBR-DMM)内。通过对微藻细胞运动轨迹的模拟,发现游离态微藻细胞的运动具有随机性,这一特性使微藻存在被微结构拦截的概率,导致反应器入口到出口的游离态微藻逐渐减少;通过对各反应器流场的分析,发现3个微型生物反应器内微结构周围流场的形态差异很大;通过微藻富集实验,发现宽度较小的MBR-M内容易形成纯液相流动形态,而较宽的MBR-MM和MBR-DMM内的气体难以被完全排出。最后,对MBR-M、MBR-MM和MBR-DMM内的氮源、有机碳源浓度场进行仿真,并将异养培养基持续通入已富集一定量微藻的反应器内,以对微结构周围的微藻生长现象进行观察。同时,测量各时间段内微型生物反应器出液的硝酸根离子浓度和葡萄糖浓度,通过计算各反应器营养物质消耗总量和单位容积消耗量的比值,从宏观角度对比了各微型生物反应器内微藻的生物总量和生物密度。本文通过构建可视化实验和数值模拟协同研究体系,对微型生物反应器内的微藻富集生长特性进行了系统化分析,为生物质能源的高效获取与稳定增产提供了一种微流控视角的设计思路。该论文有图56幅,表5个,参考文献96篇。