随着微机电系统的迅速发展,流体控制器件的微型化、集成化成为重要的研究方向之一。微流控芯片主要应用于生命科学、分析化学等领域。在这些领域中反应是十分重要的单元操作,充分的混合是实现微流控器件功能的重要条件。快速均一混合对于化学合成、生化分析、药物输送、核酸测序或合成等领域中的微流控系统具有重要的意义。微流体以层流或低雷诺数为主要流体特征,分层不掺混的流动造成了混合困难。微混合器和微混合技术的引入给微流体快速高效混合带来了突破性的发展。尤其是,微液滴混合技术以分散的液滴单元作为密闭的微反应器,具有快速、高效、易控制和易集成的特点,成为微流体混合技术的研究重点之一。本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法,研究了微流体内层流混合困难的问题,提出了基于正弦变截面微通道的液滴快速均一混合方法。利用正弦变截面微通道的几何结构实现了不同维度涡系间的共同作用,从而强化流体通道内的扰动达到充分混合;利用自主设计、封装的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)微混合器芯片,在微米尺度范围内开展液滴生成与混合实验研究。实验结果与仿真分析结果吻合较好,进一步验证了高效微混合器开发的可行性。主要研究以下几方面内容:(1)建立T型微通道二维几何模型,对两相流流场(不可压缩流体的NaiverStokes方程)和温度场(能量守恒方程)进行耦合求解,揭示了T型通道内的液滴生成机理及连续相流速、连续相粘度对液滴生成的影响规律。(2)建立了微混合过程中的浓度传输方程,揭示了扩散混合和对流混合的机理,提出了增强微混合的有效途径。研究表明,混沌对流混合是微尺度下增强相溶两相流体混合效果的最佳方法。同时建立了微混合器性能的定量评价指标,为后续混合性能的定量评价奠定基础。(3)在液滴生成数学模型的基础上,将二维通道模型中的对流扩散方程与两相流水平集方程进行耦合求解,得到了正弦变截面微通道中液滴内混合组分浓度变化规律。在正弦变截面微通道中,利用液滴生成时通道入口处的旋转扰动作用、变截面效应和不对称循环流三者的共同作用,显著增强了液滴内的混合效果。在20s-30s内,液滴内的混合指数即可达到0.9以上,实现了快速高效混合。(4)分析了基于正弦变截面微通道中连续相流速、液滴的长度、正弦通道波长与振幅的比值、波长与振幅的乘积等结构参数对液滴内混合指数的影响,揭示了其对液滴混合效果的影响规律。(5)基于自主设计加工的PDMS微混合器芯片,利用T型通道法在微混合器内生成均一稳定的液滴,并利用液滴成功包裹酵母菌。在此基础上开展了基于微液滴的快速混合实验研究。结合仿真分析结果,分析了入口形式、两相流率比、液滴尺寸、振幅与波长的乘积、波数对混合效率的影响。实验结果与仿真分析结果吻合较好,验证了基于微液滴的快速混合机理和仿真模型的有效性。通过对微通道中液滴内相溶两流体快速均一混合的理论分析、仿真研究和大量的实验验证,利用自主设计、封装的微混合器芯片,基于液滴的快速微混合技术,通过液滴的形变、液滴内的不对称循环流及入口旋转扰动,在几十秒内可实现液滴内不同流体的快速均一混合。