微流控芯片能够将混合、分离、稀释、反应、检测等常规生物化学实验室的各种功能集成到一块几到十几个平方厘米的微芯片上,具有反应时间短、试剂消耗量小、分辨率和灵敏度高、集成度高以及环境污染小等特点。液滴微流控芯片作为微流控芯片的一个重要分支,具有样品无扩散、可避免交叉污染、高通量操作等诸多优点,使其在生物医学、环境监测、化工分析、材料制备、药物诊断等领域具有广阔的应用前景。液滴操控是液滴微流控芯片应用中的关键步骤;利用光热效应操控液滴具有灵敏度高、操控精确、响应迅速以及功能多样等优点,因此是一种极具前景的操控技术。但目前国内外对基于光热效应的液滴操控研究还停留在装置功能的实现,对其中的机理及规律的认识还十分有限。因此,本文以应用于聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)的基于光热效应的液滴式微流控芯片为背景,将针对其中的光热效应液滴操控中的两相流动及传热问题展开系统研究,为装置的设计开发和优化提供理论支撑。基于光热效应的液滴式微流控芯片中涉及液滴生成、液滴迁移及聚合、液滴控温等典型物理过程,是极具代表性的光热操控液滴式微流控芯片。本文针对光热效应操控液滴式微流控芯片的两相流动与传热问题,采用可视化实验与数值模拟相结合的方法对其逐一开展研究工作。首先,采用可视化实验研究十字型微通道液滴的生成特性,并在此基础上进一步研究光热效应调控液滴生成特性,探讨了激光功率、光斑位置以及流量等参数的影响规律;然后,采用可视化实验研究光热效应诱导液滴迁移特性,并研究光热效应驱动液滴聚合特性;其次,针对光热效应操控液滴聚合过程中的非等温液滴聚合过程,采用数值模拟方法研究非等温液滴聚合特性,考察温差、油相粘度、油相导热系数、液滴尺寸以及界面张力温度系数等参数对非等温液滴聚合的影响规律;再次,采用数值模拟方法研究光热效应加热油相中悬浮水相液滴的传热与流动特性,探究激光功率、光斑尺寸、界面张力温度系数以及油相物性对流动和传热的影响规律,并研究了光热效应加热微通道内液滴的流动与传热特性,探究了激光功率、光斑尺寸、光斑位置等因素对液滴流动与传热特性的影响规律;最后,提出一种基于PCR应用的光热效应液滴式微流控芯片,并分析液滴的传热特性,获得液滴温升及液滴温度响应特性。本文获得的主要结论如下:(1)采用可视化实验研究液滴生成及光热效应调控液滴生成特性。研究发现,液滴体积随着连续相流量的增大而减小,随着分散相流量的增大而增大;当光斑尺寸聚焦油水相界面前端,光热效应引起热毛细流动导致分散相受到指向上游的热毛细力,导致水相断裂推迟,从而使得液滴体积增大,液滴体积随激光功率增大而增加;而当光斑聚焦于油水界面后面,由于温度升高所导致的分散相粘度减小使得液滴尺寸减小。(2)采用可视化实验研究光热效应驱动液滴迁移及液滴聚合特性。结果表明固定光斑位置时,激光诱导液滴迁移是由于激光的局部热源效应导致的热毛细流动所引起;光斑不在液滴椭球冠区域时,光斑越靠近液滴中心,液滴初始迁移速度越慢,液滴迁移先加速,当液滴后端界面移动到靠近光斑位置时开始减速;激光功率越大,液滴迁移速度越大;液滴越长,迁移速度越小;发现了移动光斑可以驱动液滴与液滴挤压实现液滴聚合,并获得驱动液滴聚合的最大许可光斑移动速度。(3)针对光热效应驱动液滴聚合涉及的非等温液滴聚合的问题,采用VOF方法研究了非等温液滴聚合特性。研究发现非等温液滴聚合会诱导液滴自迁移,液滴自迁移是由于两个非等温液滴的表面张力不同,使得聚合时两个液滴的压力不同,以及非等温所导致热毛细流动引起的;当界面张力温度系数为负值时,液滴自迁移过程中还会发生折回,这主要是由于热毛细流动导致液滴内高温区域从液滴一侧迁移至另一侧;对于界面张力温度系数为正值时,液滴自迁移过程不会发生折回;液滴的自迁移距离随着温差的增大、油相粘度和导热系数的减小、液滴尺寸的增大、界面张力温度系数的增大而增大。(4)对光热效应加热油相中的悬浮液滴的流动和传热开展数值模拟研究。研究发现:液滴温升跟激光功率呈现良好的线性关系;随着光斑尺寸的增大,液滴平均温升先升高后降低,温升响应更快,温度更均匀,Nu数和Ma数越小;液滴尺寸的越小,Nu数和Ma数越小,液滴温度越均匀;Nu数和Ma数均随着油相导热系数的增大呈现先增大后降低;油相动力粘度越大,液滴温升越高,液滴温度越均匀,Nu数越小,Ma数越大。(5)对光热效应加热微通道内液滴的流动和传热特性开展数值模拟研究。研究发现:由于载流的作用,使得光斑照射的液滴下游区域温度高于上游区域的温度;激光功率越大,热毛细对流越强,液滴温升越大,液滴温升跟激光功率呈现良好的线性关系;光斑尺寸越大,液滴温升越小,液滴温度越均匀,Ma数越小;激光功率和光斑尺寸对液滴传热系数和Nu数影响较小,最大差别不足3%;随着光斑朝下游移动,液滴传热系数和Nu数越小,Ma呈现先增大后减小;液滴传热系数与载流流速呈现良好的线性关系,Ma数和液滴平均温升随着载流流速的增大而减小。(6)提出了一种基于PCR应用的结合锚点结构的光热效应液滴式微流控芯片。通过传热分析发现:选用导热系数合适的载流相可以保证液滴内部温度较为均匀;液滴温升跟激光功率呈现线性关系,液滴温升响应迅速,通过调控激光功率可实现对液滴的精确控温;完成一个PCR温度循环所需要的时间为28.6 s,完成48个循环所需要时间不足23 min,比现有的其他方法节省一半时间以上。