微乳液因具有流体适配性好、可设计性强、可控性好等诸多优点,而被广泛应用于惯性约束聚变、生物医学工程、材料工程等行业和领域。传统微乳液的制备与调控方法如机械搅拌、流体剪切等,无法实现对微乳液结构及组分等品质的精确调控,致使所制备的微乳液尺寸和形态差异较大,单分散性难以控制,直接影响了后续微乳液的应用。近年来,液滴微流控技术由于其优异的流体界面控制能力而成为单分散乳液液滴可控制备以及微液滴动力学行为(聚并、分裂、形变等)精确操控的理想手段。因此,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。浮力驱动式微流控系统减少了液滴生成过程所涉及的作用力与干扰,所制得的乳液液滴单分散性优于常规泵驱动微流控乳液液滴制备系统,但目前该类微流控装置中液滴生成流型及各种流型间转换转换条件尚有待深入研究。再者,乳液液滴生成后下游流程的液滴精准调节、功能化过程往往伴随着液滴合并、变形乃至相间质量传递等复杂现象,而目前针对液滴合并、变形等典型现象中多相流体动力学行为及其界面演化特性的认识还不够深入,这就导致液滴微流控操控效率及精度还待大幅度提升。为此,本文结合可视化实验与数值模拟,研制了浮力驱动式微流控乳液制备装置,设计和搭建了乳液微流控制备与合并行为的高速可视化实验平台;基于VOF相界面追踪方法建立了乳液微流控制备和相互合并过程的多相流模型,发展了考虑液膜溶剂传质的外流场内双重乳液液滴形变行为的理论模型。基于此,针对浮力驱动式微流控乳液液滴制备、连续相流体内乳液液滴合并以及伴有液膜传质的剪切流场内双重乳液液滴的非稳态形变等典型微流控过程中的多相流体动力学行为及其调控方法开展了深入研究。概括起来,本论文的主要研究内容及研究结论如下:(1)搭建了基于浮力驱动的可视化乳液制备实验台,观测了典型液滴生成流型及其界面行为,探讨了液滴尺寸、流型随离散相流量的变化规律,获得了表面活性剂浓度对流型转换临界条件的影响,制备了壳核结构的双重乳液,研究结果表明:低流速下滴式流型所生成的液滴具有很好的单分散性,但液滴生成频率低;过渡流型与喷式流型下液滴的生成过程周期性弱,液滴尺寸多分散;相同流量条件下,表面活性剂浓度高的体系中所生成的液滴尺寸小,高表面活性剂浓度的体系中滴式的流量范围更窄,更容易发生滴式向喷式的转换;双乳液生成过程中,双乳液的尺寸随中间流体的流量增大而减小,双乳液的壁厚则随内流体流量的增大而减小。(2)基于VOF(Volume of Fluid)液/液相界面追踪方法,建立了浮力驱动式微流控装置中的液滴生成过程的数值模型,研究了不可压缩的离散相在浮力驱动下在不相溶、不可压缩的连续相流体中生成液滴的典型物理过程,给出了浮力驱动条件下液滴生成过程的典型流型、分析讨论了流动参数对液滴尺寸、频率与单分散性的影响,研究结果表明:浮力驱动式微流控装置存在滴式、喷式和过渡式三种液滴生成流型,液滴生成流型主要取决于韦伯数的大小;滴式流型下增大离散相的流量,液滴的生成流型将经过过渡模式转变为喷式,在喷式流型下增大界面张力系数,液滴生成流型将转变为滴式,不同流型之间的转换体现了惯性力、浮力与界面张力之间的相互竞争机制。(3)搭建了连续相流体(水)中液滴合并可视化实验装置,动态观测了液滴从接触开始的合并过程,获得了连续相流体中液滴合并全过程的界面演化特性,探讨了Ohnesorge数对颈部断裂时间的影响,研究结果表明:连续相流体(水)中液滴合并存在合并无断裂、合并后单侧端部断裂和合并后双侧端部断裂三种合并行为模式;在连续相流体(水)的影响下,合并过程中液桥只经历一次扩展后回缩的振荡过程,颈部只经历一次收缩形成到扩展的过程;液滴表面能可转化为工质流动动能,若工质流动动能足以克服颈部界面能量势垒,将出现颈部断裂,否则颈部回伸扩展;合并后单侧端部断裂类型的颈部断裂的无量纲时间随R*的增加而减小,随Ohnesorge数的减小而减小。(4)采用VOF方法,数值模拟了连续相流体内的液滴的合并过程,揭示了液滴合并全过程中液桥界面的演化规律以及连续相流体对液桥演化行为的影响机理,模拟结果表明:随着液滴与连续相流体粘度比的增大,连续相流体粘性耗散作用对液滴合并过程的影响减弱,液滴合并受到连续相流体流动阻力作用,工质由液滴向液桥流动越快,更易发生颈部断裂;液滴合并后颈部的无量纲断裂时间随液滴与连续相流体粘度比的增加而减小,随大小液滴半径比的增加亦减小;Ohnesorge数越大,合并过程受到的粘性阻力就越大,桥半径的增加则越缓慢,颈部的无量纲断裂时间也越大。(5)发展了伴有液膜溶剂传质的剪切流场内双重乳液液滴形变行为的理论模型,并借助双重乳液在剪切流场中形变行为的可视化实验验证了所建理论模型的合理性,揭示了相界面形变行为与乳液液膜传质过程间的耦合机理,探明了乳液液膜油相溶质初始浓度的降低对于乳液液滴整体球形度保持与外界面波动的双重影响机制,模拟结果表明:随着初始油相中溶质浓度的减小,油相溶剂扩散速率不断提升,一方面使得双重乳液内外液滴界面不断靠近,内液滴“抗变形效应”逐渐发挥主导作用,从而有利于双重乳液保持良好的球形度,另一方面也会导致液滴内外流场出现更多扰动,从而诱发液滴的外界面出现微小的波动,不利于靶产品微球表面粗糙度的控制。以上研究较系统地揭示了微乳液制备、合并与形变过程的多相流体动力学行为规律及其调控机理。相关研究成果不仅对补充和完善微乳液多相流动与界面演化理论具有重要科学意义,而且可为乳液微流控过程的调控与优化提供有力的技术支撑。