微液滴基础理论

在微观流体力学上，多相流动的控制功能包括微滴的产生、迁移、反应和合成等一系列的控制功能。多相流的基本特征是流动中同时存在两种或多种被相界面明显分离的物质组分，界面的存在把非线性效应引入微流体中，使微滴流动行为复杂化。

与此同时，由于微流道壁面的限制，液滴的比表面积很大，微液滴的边界效应也会对微滴的流动行为产生重要影响，这与宏观流下微滴的演化规律有明显的不同。对微流控芯片结构的优化和微滴控制技术的创新将进一步推动微流控芯片的设计和微滴控制技术的创新，具有一定的理论指导和实际应用价值。

1 表面张力。

界面张力是影响液滴界面质量的重要因素。接口张力σ是在液体交界面上由于分子的引力作用不均匀而形成的，它被定义为一单位长度上的力(N/m)，或者是单位面积上的能量。在不平衡的界面张力条件下，会引发界面张力处向高界面张力处的流动。界面张力驱动的流动或表面活性剂分子变化分别称为热毛细对流或溶质毛细对流。此外，界面张力的作用使液滴界面的面积趋于最小，以减小表面能量。单个液滴或气泡的表面均为球面最小，但微通道内液滴也受壁面限制，其界面往往不能收缩成球形，而是呈弯曲状。

2无因次参数。

微颗粒多相流场的流动取决于粘滞力、惯性力、重力、表面张力、剪切力、分离压力等多种作用力，其对流动的影响可以用无量纲参数表示。液滴界面容易产生较大的变形或形状变得不对称。

由以上无量纲参数的定义可以看出，微液滴流动的Re、We和Bo数较小，具有粘性层流特征，在大多数情况下，粘滞应力和表面张力起主要作用。另外，微通道内壁面对液滴界面的限制作用、通道壁浸润程度、通道几何尺寸的比值、通道的大小与通道尺寸的关系对微液滴多相流动的影响。就外力场(如电场、光热、声波等)而言，就需要确定外力与表面张力之间的相对重要性，并描述其作用机理。

3、表面活性剂作用。

为更好地促进微液滴的形成与输运，通常在连续相中加入表面活性剂来降低界面张力。该表面活性剂能使液滴界面保持相对稳定，且液滴之间不易融合，形成微滴反应体系。但由于流动和分子扩散等因素的作用，使表面活性剂浓度的空间分布变得不均匀，导致界面张力的空间变化，从而影响界面流动。表面活性剂使液滴处于亚稳状态；当两滴靠近时，一是表面活性剂分子的排斥作用，使彼此接近的界面更加稳定；二是在连续相的排放过程中，流动引起界面表面活性剂浓度的变化，并改变界面各点的界面张力；同时，还产生了Marangoni应力。Marangoni应力使Marangoni产生的对流沿着界面向液膜中心流动，妨碍连续相的排出，延长了排液时间，使微液滴更稳定。

4微液滴融合机理

微液滴融合的基本过程包括4个基本过程：(1)液滴的捕获或定位；2)液滴的相互接近、碰撞和变形的过程；3)液滴间连续相液膜排液过程；(4)液滴界面膜破裂及融合发生过程的研究大多侧重于微液滴的生成过程，而对微液滴融合机理的研究还需要深入研究。液滴融合的影响因素比较复杂，主要有：通道几何结构、进口流速、表面活性剂、壁性能、外力场等。当前，由于外部力场对液滴的作用强度还不能用定量的方法精确地描述外场力和表面张力之间的相对重要性。另外，由于外加力场引起的液滴界面变形和瞬态非线性振动等问题，长期以来一直是学术界研究的难题，在外加力场作用下的液滴融合还没有精确的理论分析，多数依赖于实验经验。