微藻生物质被认为是未来最有潜力替代化石燃料的可再生资源之一。水热水解是微藻生物质能源转化的预处理工艺，能够显著提高微藻生物质厌氧消化过程生物燃气的产量。管式反应器能够实现连续式微藻浆液水热水解，使微藻细胞内的大分子有机物释放至液相并伴随有机物水解的工艺，适合大规模工业化生产应用。但是，由于微藻浆液内部含有高浓度的悬浮微藻细胞，使得微藻浆液具有复杂的热物性，影响其在管内的流动与传热性能。同时，微藻浆液具有非牛顿流体和固液两相流体的特性，其流动传热特性不同于传统的传热流体。此外，微藻浆液中的悬浮微藻细胞会在较高温度下释放胞内物质，引起浆液热物性变化，从而影响浆液在管内的流动传热特性，进而影响藻浆的水热水解性能。因此，探明微藻浆液的热物性及其变物性规律、明晰其在管内流动传热机理及其与水热水解的耦合关系，对微藻浆液水热水解管式反应器的设计及工业应用具有重要的指导意义。
　　本文以小球藻浆液为研究对象，系统地研究了微藻浆液在管式反应器内的变物性规律、流动传热特性与水热水解的耦合关系。首先采用高温高压流变仪研究了微藻浆液的流变特性，建立了水热水解过程微藻浆液流变动力学模型。接着，构建了一套库特剪切流场下微藻浆液有效导热系数测量系统，探明了剪切速率、藻细胞浓度和温度对微藻浆液有效导热系数的影响机制，提出了以静态藻浆导热系数为基础的微藻浆液有效导热系数经验式。在微藻浆液热物性的研究基础上，研究了微藻浆液管内流动阻力特性，建立了微藻浆液管内固液两相混合流动模型，揭示了藻细胞迁移行为对藻浆管内流阻和流场稳定性的影响。然后，实验研究了微藻浆液管内对流传热特性，采用参数解耦方法探明了浆液流量、流变特性和微藻细胞行为对微藻浆液管内对流传热的影响机制，建立了藻浆管内对流传热无量纲经验关联式。最后，建立了耦合微藻浆液变物性、藻细胞迁移流动、传热与水热水解反应动力学的数学模型，通过数值模拟方法研究了变物性对流动传热的影响以及传递对水热水解的影响机制，为微藻浆液水热水解管式反应器的设计与应用提供了预测方法及理论依据。主要研究成果如下：
　　①在获得微藻浆液浓度、剪切速率和温度对微藻浆液流变特性的影响规律基础上，研究了水热水解过程微藻浆液的流变动力学特性。通过研究发现，当温度高于343K时，微藻浆液微藻细胞内淀粉和蛋白质等大分子有机物的析出和聚合会导致藻浆粘度的增大和剪切稀化性能的增强；当温度进一步增大至高于413K时，液相中大分子有机物的水解使得藻浆的粘度和剪切稀化性能再次降低。
　　②设计了由旋转圆筒壁面驱动的同轴圆筒间隙藻浆库特流发生器，以此为基础构建了微藻浆液有效导热系数测量系统。研究了库特流场下剪切速率、藻细胞浓度和温度对微藻浆液有效导热系数的影响规律，建立了微藻浆液有效导热系数经验关联式。实验结果表明：在流场剪切力作用下的微藻浆液有效导热系数与静态导热系数具有明显的差距。在低剪切速率区，微藻浆液的有效导热系数低于其静态导热系数，而当剪切速率较高时（236-471s-1），微藻浆液中微藻细胞的微运动加剧，微藻浆液的有效导热系数随着剪切速率的增大而增大。
　　③实验研究了微藻浆液管内流动特性，建立了藻浆管内流动过程剪切诱导细胞迁移模型，通过结合实验研究和数值模拟发现微藻浆液浓度在管内径向方向呈现出管中心高、管壁面低的非均匀分布趋势。该现象使得微藻浆液管内流动具有层流流动减阻现象，其流动阻力是均相流体的70%至80%（Re：200~1000）。微藻浆液管内流动从层流到湍流的转戾雷诺数约为1000，与均相流体的转戾雷诺数2300相比大大提前。
　　④实验研究了微藻浆液管内对流传热特性，首先探明了藻浆雷诺数Re、普朗特数Pr、微藻细胞体积分数、微藻细胞佩克莱特数Pep等参数对微藻浆液管内对流传热性能的影响规律，发现藻细胞的存在使得藻浆管内对流传热性能不同于均相流体。在此基础上研究了温度对藻浆管内对流传热特性的影响，发现升温过程中藻浆流变特性的变化会使得微藻浆液在换热管内的Nu随着温度的上升呈先增大（293~363K）后降低（363~433K）的趋势。
　　⑤在理论研究方面，建立了管式反应器内耦合微藻浆液变物性、藻细胞迁移流动传热及微藻水热水解动力学模型的CFD模型。研究表明：微藻浆液在管内流动时，微藻细胞的径向迁移行为能使微藻浆液的管内对流传热系数提升5%；当微藻浆液的剪切速率低于350s-1时，剪切流引起的微藻浆液的有效导热系数变化能使换热管内Nu随Re增大而快速增大。由传递引起的近壁面处的反应物低浓度和管中心区域的低温会抑制微藻浆液的有机物析出速率，而近壁面区域过高的温度（＞433K）也会抑制碳水化合物的析出。在换热管出口设置停留时间为30min的保温管能将微藻浆液中碳水化合物和蛋白质的析出率提升1.8倍。