近年来,在全球气候变化和人类活动的多重影响下,我国近海生态系统结构和功能发生了显著变化,导致近海生态灾害现象频繁爆发,包括赤潮、绿潮和有害水母等灾害生物的暴发性增殖,已对我国近海生态系统构成了严重威胁。赤潮、浒苔和有害水母的暴发性增殖均起始于灾害生物早期生活史阶段,因此开展灾害生物的早期发生及其调控机制研究被认为是认识和控制海洋生态灾害的关键科学问题。其中温度、p H、盐度和溶解氧等指标是影响海洋灾害生物早期生活史阶段的重要环境因子。但传统基于培养箱的模拟实验具有局限性,亟需引入革新性技术手段和研究平台。微流控技术是一门涉及化学、流体、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。微流控芯片是微流控技术的载体,也称为芯片实验室,具有尺寸微小、功耗低、控制精度高、兼容性强的优势,并且容易实现微泵、微阀、微混合器等器件的集成,目前已广泛运用于基因、免疫、微生物和临床化学等诊断领域。因此本文引入微流控技术来搭建用于调控海洋灾害生物（水螅、海藻）微环境的实验平台。海洋灾害生物微环境调控与观测平台的研制主要包括两方面的工作:微流控生物培养芯片的设计与制造;环境因子调控系统的设计与搭建。拓扑优化方法是结构优化设计的重要方法,与形状优化及尺寸优化相比,拓扑优化方法的特点是不依赖于设计者的设计经验,在给定优化目标、设计变量、初值、设计域及优化算法后即可进行数值计算寻找优化结构,同时拓扑优化方法采用梯度算法,具有较高的优化效率。因此,本文采用流体拓扑优化方法对用于模拟海洋灾害性生物微环境的微流控芯片进行优化设计。目前,在流体拓扑优化中应用最广泛的的两种方法是基于孔隙度的密度法和水平集法,两种方法各有优势和劣势。密度法引入多孔材料,并对多孔材料不渗透率进行惩罚,通过强制固体区域的高抗渗性来阻止流体流动,从而逼近真实问题,但其固相区域的不渗透率不能无限提高,需要人为调整惩罚参数以避免中间灰度。为克服以上缺点,本文提出在密度法的基础上,在流固界面施加法向速度为零的约束来抑制固相区域的虚假渗透,将显式边界上的滑移边界条件添加到Navier-Stokes方程中,这是一种通过在显式固体边界上施加滑移边界条件来模拟非滑移边界条件的方式,从而使流体流动更加接近于真实流场,进而得到更为准确的优化结果,这一速度约束作为不渗透条件添加至标准的优化模型中。同时根据预先设定的设计变量阈值,流固界面通过切割单元方法被追踪到,并根据密度场快速简单的形成非结构化贴体网格。本文通过一个正问题算例来介绍其施加方式并验证其有效性,通过U形管数值优化算例来表明该优化模型的可行性和有效性。与传统的Darcy模型相比,应用这种方法,采用相对较小的不渗透参数就可以获得更高精度的数值解,进而获得更加理想的优化结构。基于以上研究内容,将流体拓扑优化模型应用于典型微流控器件的结构设计中,采用流量分配器的拓扑优化模型优化出针对海藻细胞的捕获器结构。与传统捕获结构相比,这种结构具有稳定的捕获性能及更低的能量耗散。通过3D打印技术加工制造出了相应结构,通过实验验证了所选取的流量分配优化目标可以较好的实现细胞捕获。采用具有不渗透条件的Tesla阀的拓扑优化模型对Tesla阀结构进行优化设计,并与标准密度法所获得的结果进行对比与讨论,采用具有不渗透条件的Tesla阀的拓扑优化模型获得的流道结构可以有效抑制固相区域的渗流,且正向流通反向截止的性能更好。微流控培养芯片结构设计完成后,根据生物体培养及研究需求选择合适的材料及相知的制造方法进行加工制造。除了微流控培养芯片以外,海洋灾害生物微环境调控与观测平台的另一个重要部分是环境因子调控系统,即外围设备,本文依据海洋环境实测数据,筛选可能影响海洋灾害生物早期发生阶段的环境因子,包括p H值、溶氧量、盐度、温度,分别设计并搭建调控模块,综合集成在微流控平台当中,通过主动调节与反馈调节相结合的方式形成闭环控制,实现海洋灾害生物早期发生阶段多种微环境因素的综合调控。最后通过生物培养实验以及环境参数调控实验,获得了相应的实验数据和生物体生存繁殖的动态图像。