在微觀流體力學(xué)上，多相流動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中同時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，使微滴流動行為復(fù)雜化。

與此同時，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)也會對微滴的流動行為產(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)新將進一步推動微流控芯片的設(shè)計和微滴控制技術(shù)的創(chuàng)新，具有一定的理論指導(dǎo)和實際應(yīng)用價值。

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，會引發(fā)界面張力處向高界面張力處的流動。界面張力驅(qū)動的流動或表面活性劑分子變化分別稱為熱毛細對流或溶質(zhì)毛細對流。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無因次參數(shù)。

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

由以上無量綱參數(shù)的定義可以看出，微液滴流動的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)壁面對液滴界面的限制作用、通道壁浸潤程度、通道幾何尺寸的比值、通道的大小與通道尺寸的關(guān)系對微液滴多相流動的影響。就外力場(如電場、光熱、聲波等)而言，就需要確定外力與表面張力之間的相對重要性，并描述其作用機理。

3、表面活性劑作用。

為更好地促進微液滴的形成與輸運，通常在連續(xù)相中加入表面活性劑來降低界面張力。該表面活性劑能使液滴界面保持相對穩(wěn)定，且液滴之間不易融合，形成微滴反應(yīng)體系。但由于流動和分子擴散等因素的作用，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。表面活性劑使液滴處于亞穩(wěn)狀態(tài)；當兩滴靠近時，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)相的排放過程中，流動引起界面表面活性劑濃度的變化，并改變界面各點的界面張力；同時，還產(chǎn)生了Marangoni應(yīng)力。Marangoni應(yīng)力使Marangoni產(chǎn)生的對流沿著界面向液膜中心流動，妨礙連續(xù)相的排出，延長了排液時間，使微液滴更穩(wěn)定。

4微液滴融合機理

微液滴融合的基本過程包括4個基本過程：(1)液滴的捕獲或定位；2)液滴的相互接近、碰撞和變形的過程；3)液滴間連續(xù)相液膜排液過程；(4)液滴界面膜破裂及融合發(fā)生過程的研究大多側(cè)重于微液滴的生成過程，而對微液滴融合機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)、進口流速、表面活性劑、壁性能、外力場等。當前，由于外部力場對液滴的作用強度還不能用定量的方法精確地描述外場力和表面張力之間的相對重要性。另外，由于外加力場引起的液滴界面變形和瞬態(tài)非線性振動等問題，長期以來一直是學(xué)術(shù)界研究的難題，在外加力場作用下的液滴融合還沒有精確的理論分析，多數(shù)依賴于實驗經(jīng)驗。