液滴流微反應器依賴于高頻率可控尺寸的液滴的制備；同時，基于進行化學反應或者分析的需要，產生的微液滴常常需要進行下一步的聚并和分裂等。實現這些微液滴行為控制最簡單的方法就是利用微通道的結構設計，或者輔以外場（如電場、磁場和微加熱原件等）來調控微液滴的各種行為。本文主要討論無外場條件下的水力學結構的作用。

1 微液滴的生成

液滴的生成實際上是一相流體在另一相不互溶或部分互溶流體中的分散過程，一般利用不同的設備結構來形成不穩定表面而產生。液滴的制備方法可以分為自頂向下法和自底向上法兩大類。前者包括傳統的機械攪拌法、噴霧法、微孔乳化法以及微孔膜乳化和微通道陣列乳化等微孔介質分散法，該類方法主要利用連續相和分散相之間的剪切力帶來的界面不穩定性來制備大量乳液，雖然操作簡單，但存在能耗大、產生液滴尺寸分布寬和過程不易控制等缺點。相比較而言，基于微流體技術的自底向上法用于制備微液滴更為靈活可控，通過在微通道內的液滴分散可以精確地對單個液滴的尺寸、形貌和成分組成進行控制，所產生的液滴具有尺寸均一和易于調控等顯著優勢。

微通道分散根據其液滴生成位置附近的流場信息不同主要分為同軸流場中的斷裂、錯流流場中的斷裂和拉伸流場中的斷裂等不同的方式。相對應的通道主要是同軸環管、T 形錯流微通道、水力學聚焦微通道等。為了提高液滴的單分散性，避免不必要的聚并過程發生，往往在連續相或分散相加入表面活性劑來降低兩相之間的界面張力，使液滴更為穩定地存在。對于液滴的分散規律的研究是最先發展起來的分支，主要針對液滴的尺寸控制、分散過程中的流型轉化、通道結構等基本參數的影響等，在此不再贅述。

2 微液滴的聚并與分裂

液滴微流控相比連續流微流控的優勢之一在于其高通量和易于放大的特性，便于進行平行反應。當液滴內包含有某種反應試劑時，不同液滴之間的聚并可以有效地實現反應物之間的接觸混合，同時也是控制液滴內部組分濃度的有效手段。很多情況下，單個液滴就是一個微型反應器，再通過使一個液滴分裂成兩個甚至多個更小的液滴，很容易實現反應器數量的放大和體積的縮小，從而提高混合和反應的效率。因此，微液滴的聚并與分裂是使其成為理想微反應器的重要保障，如何可控地在微通道中實現液滴的聚并和分裂是一個重要的研究方向。要實現液滴的聚并融合，原則上只需減小液滴之間的距離使其可以相互接觸。

要達到這一目的，一般可以通過 4 種方式來實現：通道結構變化、利用液體特定的理化性質、熱毛細效應以及電場融合。其中，巧妙設計微通道的結構是最為直接簡單的方式。圖 2 給出了幾種典型的通道結構變化，其基本原理都是突然降低前面一個液滴的流速使后面的液滴可以“追趕”上來與其接觸融合。綜合利用“梳齒”狀通道結構變化和外場實現了液滴的可控聚并。通過在通道腔室內設計多個支柱組來增加流動阻力，使前一個液滴在腔室內減速至停止運動，等待和下一個液滴融合直至水力學壓力超過表面張力，融合的液滴開始繼續運動。

該結構可以通過調節支柱組的間距和數目以及融合液滴的尺寸和運動速度來控制融合過程。該體系中水相液滴的融合可以在40s內完成，因此液滴內的組分混合可以高效進行，兩個液柱的混合周期在7ms左右。進一步，它們在融合腔室內加入電場，拓展了體系的適用范圍，在表面活性劑存在的體系中也可以實現液滴的可控融合。支柱組的存在使得液滴之間的距離足夠近，電場的存在破壞了液滴間的油膜有效地促進了融合過程。融合之后的液滴還可以再被分散成更小的液滴，因此可以通過控制液滴體積和組成來有效調控滴內化學物質的濃度，實現液滴陣列的高通量生產。

當兩相流從主通道流向分支通道，此處的流線被分割成不同的部分。液滴受到流場的影響，當黏性剪切力超過表面張力時，就會發生斷裂。液滴分裂過程的研究主要集中在 T 形通道。液滴到達 T 形分支點之后的行為取決于它的延伸長度 l0和毛細管準數Ca。B和C是發生斷裂的流型，而A區域內不發生斷裂，斷裂的情況依賴于液滴是否能夠充滿T形分支點（C）或者和壁面之間產生溝槽（B）。該實驗的結果與二維的理論分析結果吻合得非常好，并提出了臨界長度的概念。垂直線代表了斷裂發生時是否存在空腔區的臨界長度l0/w，實線是參考文獻[40]中的理論預測結果，短劃線是參考文獻中的理論預測結果。在對稱的 T 形通道內可以得到體積相同的子液滴，而非對稱的通道結構會對液滴的斷裂過程產生很大的影響。

在母液滴的流道中設置障礙物來使得液滴被動的斷裂，改變障礙物在流道中位置的不對稱性變化可以控制斷裂生成的兩個子液滴的相對尺寸，同時還可以設置多級障礙物，使得子液滴可以進一步地斷裂成更小的液滴。利用 VOF 數值模擬的方法來計算非對稱T形通道內（等長度不等寬度）液滴的斷裂過程，并利用潤滑理論近似的方法進行理論分析，驗證了其數值模擬的結果。他們研究和討論了該過程中重要的影響因素，比如液滴斷裂時間和壓降隨通道結構的變化等。進一步，對于該模型進行了實驗驗證，同時還建立了預測不對稱 T 形通道內液滴斷裂流型以及子液滴的體積比例和母液滴斷裂點的理論公式，與其實驗結果符合良好。