多相反应器广泛用于化工、医药、冶金、发酵等工业生产过程。为了充分利用反应器空间，分散相浓度通常都非常高（>10 vol%），而颗粒浓度高使相间作用更加复杂。高浓度反应器的设计和工程放大对现有测量方法和模型模拟提出了挑战。基于此，本文基于先进的原位图像测量技术，从发展新的测量方法入手，对高浓度多相反应器内颗粒动力学进行了研究，在此基础上发展了更加准确的相间作用力模型，最终获得适用于高浓度反应器的数值模拟工具。针对广泛采用的激光类测量方法无法测量高浓度反应器内流动特性的问题，基于短光路原位照相，通过开发一系列图像处理流程并创新性耦合颗粒图像测速法（Particle image velocimetry，PIV）以及颗粒追踪测速法（Particle tracing velocimetry，PTV），提出了适用于高浓度多相体系的原位图像速度测量方法（Inline image velocimetry，IIV）。该方法突破了激光类方法最大仅可测4 vol%浓度的限制，将理论上限提高十倍以上。随后在超过激光类方法上限浓度的4.4 vol%和8.8 vol%固-液搅拌槽反应器中进行了验证。结果表明：新型测速方法在除桨区的大部分区域能够准确测量两相流场，桨区测量偏差系现有仪器帧频偏低造成，通过更换高帧频相机可解决；随着颗粒浓度提高，体系的瞬时流场混乱程度增加，并且颗粒群效应造成液相平均速度减小。应用原位图像速度测量方法进一步研究了13.2 vol%和17.6 vol%更高浓度的固-液反应器内颗粒动力学，并进行了颗粒湍动能测量的拓展。实验结果表明：高浓度体系下，颗粒群效应明显，液相平均速度衰减显著；颗粒间作用距离变短，碰撞频率增加，此时的碰撞不仅是二元颗粒碰撞，还是以密集颗粒群为单位进行的碰撞；固液滑移速度明显减小，Fajner公式不再适用，提出适用于高浓度体系的滑移速度预测公式；准确获得颗粒湍动能，测量位置处湍动能随体系浓度增加变化不明显。基于颗粒动力学测量，提出了新的总曳力模型来改进现有模型复杂、适用性差问题。在原位图像速度测量方法基础上，进一步增加颗粒加速度以及局部颗粒浓度算法，使得测量方法能够准确测量颗粒的局部非稳态特性，进而准确获得颗粒所受的总曳力。随后利用牛顿第二定律、无量纲关联以及最小二乘拟合，提出了形式简单的总曳力本构模型。将该模型用于模拟并与实验测量结果对比发现，从4.4 vol%到17.6 vol%的四个浓度均得到了准确的预测结果。与Gidaspow模型对比发现，新模型速度场预测结果准确性相近，对局部固含率预测更准确，同时在质量守恒性方面体现了明显优势。将原位图像测速方法扩展至气-液搅拌反应器，研究了不同尺寸气泡动力学行为差异。结果表明：不同尺寸气泡动力学行为迥异，气泡轴向速度和形状随气泡尺寸变化明显，而切向运动速度则差别较小；气泡尺寸空间分布也反映出不同气泡轨迹的差异；基于此，气泡速度场采用分组统计的方式更合理也更准确，本文根据该行为差异将气泡划分为G1（≤0.6 mm）、G2（0.6~2.2 mm）和G3（>2.2 mm）三个组；相较于单一气泡尺寸模型和单一速度群体平衡模型，气泡分组模型在轴向速度、切向速度和气含率预测方面均有优势。