流体控制近年来在能源动力、生物医药、化工过程、农业生产等领域有着广阔的应用前景,其中,液滴操控在运输减阻、喷墨打印、农药喷洒、微流控技术等领域有着重大意义,而水下气泡运动行为控制则在药物/基因靶向输运、海下天然气采集、油气分离、海洋污染物处理等领域有着潜在的应用价值。液滴与水下气泡在固体表面上的动力学特性研究综合涉及工程热物理、化学工程、材料科学等交叉学科领域,属于世界前沿的研究课题,液滴与水下气泡的运动学与动力学研究不仅能丰富相关的基础理论,还有助于拓展其应用范围。本文基于实验方法,通过制备具有梯度能的微孔或微柱表面,借助高速摄影技术,对实验表面上液滴和水下气泡的运动与动力特性进行深入研究,旨在对高温表面Leidenfrost液滴的自推进运动、常温水下气泡在疏水表面的自输运行为建立数学模型,以阐释其中的运动机理,最终通过实验与理论相互验证的方法,证实了模型的有效可行性。本文主要包括以下三大内容:第一,流体静态特性是动态特性的研究基础,清晰认识静态特性的行为机制有助于动态行为的解释分析,借助高速摄影技术进行可视化实验,研究了液滴在微柱梯度能铜表面上的静态特性,以及水下气泡在微孔梯度能PDMS疏水表面上的静态特性,主要内容包括:液滴在微柱梯度能表面上的表观接触角、接触角滞后、接触角滞后随着表面面积份额的变化规律、接触角三相接触线的移动以及是否存在钉扎情况、单个静态液滴随固体表面温度变化而呈现出的各种性态等;浸没于水下的微孔表面上疏水微泡层的状态、单个水下气泡与微孔疏水表面的接触状态、接触角以及接触角滞后等。第二,对微柱梯度能表面上的液滴进行可视化实验以探究液滴的动态行为特性,主要内容包括:当表面温度从常温逐渐增加时,不同韦伯数We的液滴撞击到不同温度表面呈现的撞击模式,本文研究了液滴撞击模式与韦伯数、表面温度之间的关系,液滴与加热表面之间的接触时间;当表面温度加热至高于Leidenfrost温度时,Leidenfrost液滴会产生自推进运动,考虑微柱结构、浸润梯度与蒸汽泄流对液滴运动的影响,对Leidenfrost液滴的自推进运动建立数学模型,提出相应的运动机理,揭示运动现象产生的根本原因,最终通过分析液滴受力与表面结构之间的关系,得出能使液滴发生高速运动的最佳表面结构参数,为未来微结构的设计以实现液滴的快速精确控制提供新思路。第三,探究常温水下气泡在微孔梯度能PDMS疏水表面的动态行为特性,具体内容包括:不同深度释放的气泡,以不同的速度接触水平梯度表面时所表现出的动态行为;在一定水下深度范围内,实验发现气泡在具有浸润梯度的表面上会发生定向运动,即从表面上面积份额较小的区域(SAF)往表面面积份额较大的区域(LAF)运动,本文分析了气泡自输运行为的运动特点;通过能量法与力学分析法的相互结合,对气泡运动建立了有效可行的数学模型,并分析实验表面覆盖的微泡层对气泡运动的作用与影响,阐释了水下气泡在表面上的自输运行为的运动机制,最终获得水下气泡能在表面上发生自输运行为的水下释放深度的边界条件,该边界条件的提出可为水下气泡的实际应用提供理论基础。