单分散的高品质双乳液在聚变能源利用、化学化工、医药等行业中有着广泛的应用。传统的双乳液生产工艺通常伴随强烈的振荡过程,制备过程的重复性差,系统的可控性与原料消耗率等指标不尽人意,所生成的双液滴中内、外液滴的尺寸均一性都难以得到保证。近年来,微流控技术的蓬勃发展为单分散的高品质双乳液制备提供了一条有效途径。特别是,轴对称三维微流控装置作为被动式乳化系统的代表,具有高度的可控性和原料利用率,所制备的双乳液单分散性好、均一度高、球形度佳,表现出了优越的流变特性,可用于多种流体的乳化,相比传统工艺有了很大进步,该方向的研究现已成为工程热物理微尺度多相流学科的一个前沿研究热点。目前,双乳液的生成过程及其流体动力学行为仍然缺乏深入、系统的研究,尤其是各相流体之间的相互作用方式、界面的运动与破裂的规律、流动状态对乳化过程的影响机理等尚未得到完全揭示。为此,本文基于VOF相界面追踪方法,建立了流动聚焦式微通道和协流式微通道中乳化过程流体动力学行为特性的理论分析模型。数值研究了两种系统中双液滴的形成过程；给出了典型乳化模式的流型演化；分析了流体物性、流动状况对双液滴形成过程的影响；对比了协流结构与流动聚焦结构的中液滴形成过程的异同；探讨了微通道局部结构的变化对乳化模式及其转换的影响。同时,本文还设计并搭建了协流式与流动聚焦式两套微流控乳化装置实验台,制备了多种形态的双乳液,采用高速动态摄像装置观测并记录了两种系统中双液滴的生成过程,分析了各相流量对乳化过程的影响,对比了两种微流控装置所生成的双液滴尺寸、生成频率以及多分散度等特性。概括起来,本文的研究内容及获得的主要研究结论如下：开展了流动聚焦式微通道中双乳液生成过程的理论建模和数值模拟研究,复现了滴式与喷式两种典型乳化模式,对比了单、双乳液生成过程的异同,建立了流量比、粘度比、界面张力比与所生成的双液滴尺寸间的定量联系,并阐明了流动状况与流体物性对乳化过程的影响机理。数值研究表明：滴式模式下液滴脱离的驱动力是界面张力,而喷式模式下则是外流体粘性力,因此两种模式具有不同的界面形状与流体动力学行为。双乳液的生成过程相比单乳液更复杂,内界面的形变与破裂加速了外界面的形变过程。在滴式模式下,增大外流体的流量将引发乳化模式向喷式的转换,所生成的双液滴的尺寸与壁厚都随之减小,但流型转换时尺寸的变化有不连续的突增。中间流体流量在很大范围内只对双液滴的壁厚起到决定性的作用,对液滴生成模式和内液滴尺寸影响均不明显。滴式模式下,改变中间流体的粘度直至超过其他流体粘度时,液滴生成模式由滴式突然转变为喷式,所生成的液滴尺寸减小。界面张力系数的改变对相界面的形状有显著的影响,但对所形成的液滴尺寸几乎不起作用。基于轴对称微通道中的双乳液生成过程的数值研究,对比了协流系统与流动聚焦系统中典型乳化模式,分析了外流体毛细数、通道局部结构对乳液乳化过程的影响机理。数值研究结果表明：协流式微通道中,外流体毛细数的增大也会引起乳化模式从滴式向喷式的转换,但转换的临界毛细数要远大于流动聚焦式系统中的临界毛细数,并且双液滴尺寸与壁厚对外流体毛细数的变化更敏感。在相同物性与流动参数条件下,流动聚焦式微通道中双液滴的脱离位置总是比协流式微通道中更靠近下游,并且所生成的双液滴尺寸与壁厚更小,单分散性稍逊,但这一差异随着外流体毛细数的增大逐渐减弱。与协流式微通道相比,流动聚焦式微通道中聚焦孔的存在在滴式模式下起到了促进相界面变形、加速双液滴脱落的作用,在喷式模式下则起到了促进喷射段形成的作用。聚焦孔半径较小的情况下双液滴更容易在喷式模式下生成,所生成的液滴尺寸较小、多分散度较高；随着聚焦孔半径增大直至流动聚焦结构变成协流结构,水力聚焦作用逐渐减弱,双液滴的脱离位置向上游移动、所生成的液滴尺寸增大、多分散度降低。此外,聚焦孔深度的变化不对双乳液生成模式造成任何影响,并且对所生成的双液滴尺寸、壁厚以及单分散性的作用也不明显。设计搭建了基于协流结构的双乳液制备与可视化观测实验台,开展了油包水包油双乳液的制备实验,获得了单核双乳液、多核双乳液、单乳液和双乳液混合乳液等多种形态的乳液,分析了多个典型工况中界面的形变过程,获得了各相流量与双液滴尺寸、液滴生成频率、多分散度的定量关系。实验研究结果表明：内液滴的个数、双液滴的尺寸、液滴生成模式与生成频率等均可以通过外流体流量进行精确控制,双液滴壁厚则通过中间流体与内流体流量进行调整。低流速的滴式模式下所制备的单核双乳液和单、双乳液混合的二元乳液尺寸均一性好,多分散度能够控制在3%以内。而滴式模式下制备的多核双乳液外液滴的多分散度能够控制在8%以内,但每一个内液滴在脱离时均受到前-个内液滴的影响,因而内液滴尺寸是多分散的。设计搭建了基于流动聚焦结构的双乳液制备与可视化观测实验台,同样开展了油包水包油双乳液的制备实验,获得了多种形态的乳液以及流量与液滴尺寸、生成频率、多分散度的定量关系,并对比分析了协流系统与流动聚焦系统中乳化过程。实验研究结果表明：在与协流式系统相同的实验条件下,聚焦孔的存在促进了相界面的形变与破裂,因而低外流体流速下的流动聚焦系统中通常不会生成多核双乳液。流体在通过聚焦孔后的减速使得双液滴在外流体通道中的排列更紧密,合并的可能性较大。在同样的流量与物性参数条件下,相比协流式微通道,采用流动聚焦式微通道所制备的双乳液虽然单分散性稍逊,但是其中液滴生成频率相对较高,在高效制备小尺寸双乳液的场合具有更好的效果。本文工作较为系统地揭示了轴对称微流控装置中双乳液生成的流动形态演化、乳化模式转换机理以及通道结构的影响,相关研究成果可为乳液制备微流控装置的设计与优化提供有力的理论与关键技术支撑,同时,也是对微小结构内液液多相流动、界面相互作用及其流体动力学行为基础理论的重要补充和完善。