在微觀流體力學(xué)上，多相流動(dòng)的控制功能包括微滴的產(chǎn)生、遷移、反應(yīng)和合成等一系列的控制功能。多相流的基本特征是流動(dòng)中同時(shí)存在兩種或多種被相界面明顯分離的物質(zhì)組分，界面的存在把非線性效應(yīng)引入微流體中，使微滴流動(dòng)行為復(fù)雜化。

與此同時(shí)，由于微流道壁面的限制，液滴的比表面積很大，微液滴的邊界效應(yīng)也會(huì)對(duì)微滴的流動(dòng)行為產(chǎn)生重要影響，這與宏觀流下微滴的演化規(guī)律有明顯的不同。對(duì)微流控芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和微滴控制技術(shù)的創(chuàng)新將進(jìn)一步推動(dòng)微流控芯片的設(shè)計(jì)和微滴控制技術(shù)的創(chuàng)新，具有一定的理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 表面張力。

界面張力是影響液滴界面質(zhì)量的重要因素。接口張力σ是在液體交界面上由于分子的引力作用不均勻而形成的，它被定義為一單位長(zhǎng)度上的力(N/m)，或者是單位面積上的能量。在不平衡的界面張力條件下，會(huì)引發(fā)界面張力處向高界面張力處的流動(dòng)。界面張力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)或表面活性劑分子變化分別稱為熱毛細(xì)對(duì)流或溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流。此外，界面張力的作用使液滴界面的面積趨于最小，以減小表面能量。單個(gè)液滴或氣泡的表面均為球面最小，但微通道內(nèi)液滴也受壁面限制，其界面往往不能收縮成球形，而是呈彎曲狀。

2無(wú)因次參數(shù)。

微顆粒多相流場(chǎng)的流動(dòng)取決于粘滯力、慣性力、重力、表面張力、剪切力、分離壓力等多種作用力，其對(duì)流動(dòng)的影響可以用無(wú)量綱參數(shù)表示。液滴界面容易產(chǎn)生較大的變形或形狀變得不對(duì)稱。

由以上無(wú)量綱參數(shù)的定義可以看出，微液滴流動(dòng)的Re、We和Bo數(shù)較小，具有粘性層流特征，在大多數(shù)情況下，粘滯應(yīng)力和表面張力起主要作用。另外，微通道內(nèi)壁面對(duì)液滴界面的限制作用、通道壁浸潤(rùn)程度、通道幾何尺寸的比值、通道的大小與通道尺寸的關(guān)系對(duì)微液滴多相流動(dòng)的影響。就外力場(chǎng)(如電場(chǎng)、光熱、聲波等)而言，就需要確定外力與表面張力之間的相對(duì)重要性，并描述其作用機(jī)理。

3、表面活性劑作用。

為更好地促進(jìn)微液滴的形成與輸運(yùn)，通常在連續(xù)相中加入表面活性劑來(lái)降低界面張力。該表面活性劑能使液滴界面保持相對(duì)穩(wěn)定，且液滴之間不易融合，形成微滴反應(yīng)體系。但由于流動(dòng)和分子擴(kuò)散等因素的作用，使表面活性劑濃度的空間分布變得不均勻，導(dǎo)致界面張力的空間變化，從而影響界面流動(dòng)。表面活性劑使液滴處于亞穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)兩滴靠近時(shí)，一是表面活性劑分子的排斥作用，使彼此接近的界面更加穩(wěn)定；二是在連續(xù)相的排放過(guò)程中，流動(dòng)引起界面表面活性劑濃度的變化，并改變界面各點(diǎn)的界面張力；同時(shí)，還產(chǎn)生了Marangoni應(yīng)力。Marangoni應(yīng)力使Marangoni產(chǎn)生的對(duì)流沿著界面向液膜中心流動(dòng)，妨礙連續(xù)相的排出，延長(zhǎng)了排液時(shí)間，使微液滴更穩(wěn)定。

4微液滴融合機(jī)理

微液滴融合的基本過(guò)程包括4個(gè)基本過(guò)程：(1)液滴的捕獲或定位；2)液滴的相互接近、碰撞和變形的過(guò)程；3)液滴間連續(xù)相液膜排液過(guò)程；(4)液滴界面膜破裂及融合發(fā)生過(guò)程的研究大多側(cè)重于微液滴的生成過(guò)程，而對(duì)微液滴融合機(jī)理的研究還需要深入研究。液滴融合的影響因素比較復(fù)雜，主要有：通道幾何結(jié)構(gòu)、進(jìn)口流速、表面活性劑、壁性能、外力場(chǎng)等。當(dāng)前，由于外部力場(chǎng)對(duì)液滴的作用強(qiáng)度還不能用定量的方法精確地描述外場(chǎng)力和表面張力之間的相對(duì)重要性。另外，由于外加力場(chǎng)引起的液滴界面變形和瞬態(tài)非線性振動(dòng)等問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)一直是學(xué)術(shù)界研究的難題，在外加力場(chǎng)作用下的液滴融合還沒(méi)有精確的理論分析，多數(shù)依賴于實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。