微液滴通常是指粒径范围在1~1000μm的微型液滴,基于其体积小、比表面积大、化学稳定性高等优势,单分散性良好的微液滴可广泛应用于生物医疗、食品香料、化学工程、药物科学和护肤等行业。近年来,微流控技术的日益发展为单分散性微液滴的制备提供了便利的环境,但交叉型微通道、同轴流、聚焦流等常用的液滴制备方法均依赖于连续相的剪切力,所得液滴会受到各相流量波动的影响,从而造成液滴单分散性较差。相比之下,台阶乳化是在拉普拉斯压力差作用下的一种液滴自发断裂的微流控方法,这种断裂原理使得液滴尺寸受流量的影响减小,因此在高单分散性微液滴的制备方面有着极大的应用前景。本文设计并搭建了一种用于台阶乳化参数研究的实验台,结合数值模拟的研究方法,对基于台阶乳化的微液滴生成过程中的影响因素进行了综合分析与研究。主要内容如下:(1)自主设计了一种台阶芯片的制作加工方法,搭建液滴乳化实验台,完成基于台阶乳化的单分散性微液滴制备,探索乳化过程中的结构参数、流体物性和界面参数对于液滴制备的影响。对比分析了不同流速下,台阶的长度、高度和通道宽度对所得液滴尺寸和生成频率的影响;同时,研究了分散相粘度和界面张力在液滴断裂过程中发挥的作用,实验结果用于指导模拟参数的选取和设计。(2)建立了台阶乳化的计算模型,结合VOF界面追踪方法,复现了台阶乳化的液滴发生过程,通过实验与模拟结果的对比分析,验证了模型及计算方法的有效性。将模型应用于台阶结构尺寸的研究中,建立了台阶长度、高度和通道宽度与所得液滴尺寸间的定性关系,并通过压力云图和速度分析,解释了液滴尺寸变化的内在机理,建立了台阶截面比与液滴断裂模式之间的关系。(3)研究了流体的物性参数对液滴乳化的影响,引入毛细数Ca,通过仿真对界面张力和粘度进行单一变量的研究。模拟结果与前述实验现象进行对比分析,揭示了甘油的加入同时改变体系粘度和界面张力的现象,发现了流体组份的改变会同时对体系多个因素发挥作用。(4)开展了壁面接触角对于液滴乳化的影响研究,通过对接触角的模拟计算,发现了台阶润湿现象,且液滴直径随接触角的增大而减小。通过对模型中轴线处和断裂点处的压力变化曲线的分析,结合理论计算,揭示了接触角的变化对于台阶内拉普拉斯压力差的作用机理,明确了接触角的改变在台阶乳化中发挥的作用。本文较系统地研究了台阶乳化中设备结构尺寸、流体物性参数以及界面参数对于单分散性液滴的生成影响,分析了三种液滴断裂模式的转变规律,相关成果可为台阶乳化进一步的研究提供理论和实验基础,为液滴预测、定制尺寸液滴的制备提供数据支撑。