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液滴微流控技术能够可靠稳定生成微小液滴并精确控制其尺寸,已广泛应用于生物分析、先进材料制备等科学前沿领域。但由于微流控装置通道尺寸为微米级,工质流量受微通道高流阻特性约束,其液滴产量尚不能满足工业化大规模生产需求。而分形树状结构作为自然界中广泛存在的一种几何结构(如山川、河流、人体血管系统等),可实现流(能量流、质量流)系统从点到面(体)或从面(体)到点的物质输运和能量传递的空间优化。受此启发,本文将分形树状结构引入液滴微流控芯片设计,借助其良好的流体均匀分配输运特性,实现树状通道分叉处液滴分裂的高通量制备。因此,开展分形树状微通道内液滴流动破裂机理研究,具有重要的工程应用前景和科学意义。本文采用可视化实验方法开展了分形树状微通道内液滴生成和流动分裂特性研究,设计研制了具有十字聚焦液滴生成结构的分形树状微通道芯片,并搭建了分形树状微通道内两相流动可视化观测系统,研究了分形树状芯片中液滴稳定生成机理以及液滴破裂机制,获得生成液滴的优选工况与分形树状通道优化设计方案。主要研究内容与研究结论如下:(1)基于十字聚焦型结构生成液滴,可视化研究分形树状微流控芯片中的液滴生成机理,重点分析了两相流动参数、物性参数以及通道几何参数对通道内液滴生成特性的影响。研究结果表明:1)十字聚焦微流控结构液滴生成存在四种流型:弹状流、滴式流、环状流和粘性位移流,其中环状流包括线状流和管状流;2)保持离散相体积流率不变,液滴尺寸随着连续相流率的增大而呈减小的趋势,当液滴尺寸小于1.25mm时,液滴尺寸与其保持良好的线性关系。恒定连续相体积流率,微液滴的尺寸随着离散相流率的增大而逐渐增大。当连续相的粘性剪切力不足以使液滴脱落,形成环状流,当连续相的粘性剪切力不能克服离散相的压力时,粘性位移流出现;3)恒定流动参数和连续相的粘度m_c不变,液滴尺寸随离散相粘度m_d小幅度的增大。当离散相粘度不变时,液滴尺寸随m_c的增加呈现逐渐减小的趋势;4)液滴尺寸预测公式为:l~*=(ε+wQ)Ca_c~m,对所得的实验数据进行线性回归可得e=0.248,w=0.55和m=-0.203,将理论值与所得的实验数据进行比较,所得的最大相对误差不超过15%。(2)开展了分形树状微通道内液滴破裂特性研究,通过可视化实验观测了分形树状微通道内各级分叉处液滴破裂典型流型以及整个通道内液滴破裂的典型流动工况,同时通过控制变量法研究分析了不同液滴无量纲尺寸(l~*)和不同毛细数(Ca)时液滴的破裂工况以及其单一性分析。研究结果表明:1)在各级分叉处有三种典型流型:阻塞破裂流型、隧道破裂流型以及不破裂流型。整个通道内液滴破裂典型流动工况包括四种:i:不破裂工况(#00),ii:一级破裂工况(#01),iii:二级破裂工况(#12),iv:三级破裂工况(#23);2)子通道内液滴速度差越大,液滴的不对称破裂更明显,造成液滴的单一性越差;3)通道加工的工艺误差以及液滴从出口流出会导致分形树状微通道各个出口处的压力不一致,使得液滴破裂出现不对称现象,而随着通道级数的增加这种不对称性影响会逐渐增加,液滴的变异系数也越来越大;4)随着毛细数增大,不完全破裂工况会逐渐向完全破裂工况转变。而在相同破裂工况下,随着毛细数的增加,液滴的尺寸分布范围逐渐减小,变异系数也逐渐减小;5)随着液滴尺寸的减小,完全破裂工况会逐渐向不完全破裂工况转变,所生成液滴的尺寸分布范围变大,变异系数也逐渐增大,液滴的单一性越来越差。本文开展了分形树状微通道内液滴破裂特性的实验研究,揭示了十字聚焦型微通道内液滴的生成机理和分形树状通道内液滴的破裂特性,研究工作为液滴的高通量生产提供了理论支撑。