单分散性液滴和气泡的生成机理是多相微流体技术的重要基础。台阶式乳化微流体装置因易于高通量生产均一性的气泡和液滴而受到关注。本文采用高速摄像仪系统性地研究了台阶式乳化微流体装置内气泡和液滴的生成机理及介尺度效应。通过三维可视化的方法研究了台阶式乳化微流体装置中气泡的生成机理。发现低于临界毛细数时,气泡的产生由界面张力控制;大于临界毛细数时,气泡的生成过程由黏性力、惯性力和气泡群的扰动作用共同控制。通过考虑气液界面与壁面之间的动态接触角以及气泡群反馈效应,建立了气泡尺寸的预测模型。通过实验和模拟计算相结合的方法,研究了重力对台阶式乳化微流体装置中液滴生成过程的影响机制。根据液滴生成形态的不同,将液滴的生成划分为滴落式方式和悬浮式方式。在滴落式生成方式中,随着分散相黏度的增大,液滴生成过程的控制阶段由三维膨胀的第一阶段转变为颈缩阶段。悬浮式液滴生成方式的控制阶段一直为颈缩阶段。在滴落式生成方式中,空腔内液滴堆积会使连续相在液滴颈部的速度梯度的方向发生变化,进而影响液滴的生成过程。通过求解液滴生成过程的受力平衡方程,建立了液滴尺寸的预测模型。探究了具有十个并行微通道的台阶式微流体装置内气泡的生成机理。探明了气泡生成过程的气液界面演化规律。发现气液界面演化由惯性力、黏性剪切力、液体压差和拉普拉斯压力控制。气泡头部距离的第二膨胀阶段是决定气泡尺寸的关键,并受流体物性影响。基于此,提出了气泡体积的半经验预测模型。最后,构建了阐释并行微通道内气泡交替生成模式机理的压降模型。研究了台阶式并行微通道装置内的气泡群复杂行为及其对气泡生成的反馈效应。发现在受限空间内,气泡在水平面内发生挤压堵塞能够自组装成具有特定几何特点的二维晶格,分别为有序的行三角晶格、有序的竖三角晶格和无序的三角晶格。发现气泡的自组装路径由气泡尺寸及其分布决定。运用介尺度、能量和活化等概念分析了气泡群复杂行为对气泡生成方式的影响,充分阐释了受限空间内气泡群的介尺度效应。