【摘要】：氣液界面是微顆粒富集的重要場所，對氣液界面上的微顆粒進行操控在微裝配、微混合、微清掃等領域具有廣闊的應用前景。微尺度下，常規(guī)的接觸式操控粘連現(xiàn)象凸顯且易造成污染；通過施加非均勻外場產(chǎn)生的梯度力進行非接觸式操控可有效避免粘連現(xiàn)象，但這些作用力如光場梯度力、磁場梯度力、電場梯度力等分別正比于～L~3、～L~3、～L~0(L為顆粒特征尺度)，一旦尺度較小，其操控效率較低。而漂浮于氣液界面微顆粒都會受到表面張力(～L~(-1))的作用，這種作用隨著尺度減小變得更加顯著。

因此通過表面張力能顯著提高微操控的效率。為此，本文基于表面張力梯度產(chǎn)生的兩種方式，表面張力系數(shù)梯度和界面曲率梯度，分別提出了由高斯光誘導的溫度梯度導致的表面張力系數(shù)梯度，以及由毛細波誘導的界面的曲率梯度從而產(chǎn)生的表面張力梯度對界面上的微顆粒進行驅動研究。本文通過實驗與數(shù)值模型相結合研究了具有“瘦高型”能量集中式高斯分布的UV光入射到含有光熱效應Fe_3O_4顆粒液滴時，由于光強的不均勻分布，液滴表面會形成約2K/mm的溫度梯度，從而產(chǎn)生Marangoni對流驅動納米顆粒在液滴內部形成渦流運動，其最大速度可達～10mm/s的數(shù)量級。

并且詳細給出了液滴表面的溫度分布以及液滴內部的流動狀態(tài)。并且通過數(shù)值模型研究了不同液滴高度以及不同輪廓高斯光對驅動效果的影響，結果表明:

(1)液滴高度越小，其表面可產(chǎn)生更大的溫度梯度，驅動效果更好；

(2)在能量密度相同條件下，相較于“矮胖型”高斯光，“瘦高型”高斯光能量更為集中，其驅動效果更好。其次基于上述高斯光誘導的液滴內部的渦流運動，提出了一種非接觸式微液滴內部混合機制，當高斯光交替從液滴左右對稱位置垂直入射，液滴內部會交替形成大小不同的漩渦，達到混合增強的目的，本文通過數(shù)值模型驗證了該機制的混合效果，并且分析了液滴高度和高斯光入射位置對混合效果的影響，最后探討了溫升和樣品的透光性對該混合機制的影響。

最后本文通過由氣泡生長潰滅所產(chǎn)生的毛細波對界面上的微顆粒進行驅動研究，在實驗中觀測到當毛細波掠過微顆粒時，顆粒依次經(jīng)歷了前推與回拉，并產(chǎn)生了顯著的凈位移，其最大速度可達～100mm/s的數(shù)量級?；诖耍紫仍贑OMSOL中建立了二維軸對稱模型對毛細波傳播進行了數(shù)值研究，結果表明，毛細波傳播速度在～m/s數(shù)量級，并且由于粘性耗散，毛細波傳播過程中其振幅波速在不斷衰減。隨后在COMSOL中建立了三維模型對毛細波驅動界面上微顆粒進行研究，采用兩相流相場方法模擬相界面并且使用動網(wǎng)格接口來模擬顆粒運動。

由于相場方法中將表面張力作為體積力加入到N-S方程中，因此相場方法中的界面上會產(chǎn)生壓強突躍，并且壓強突躍峰值隨著界面厚度的增加而減小，因此，進行了在不同界面厚度下毛細波對顆粒的驅動研究，結果表明，僅當界面厚度較薄時，顆粒才可產(chǎn)生先前推后回拉運動，當界面厚度較厚時，顆粒僅能產(chǎn)生前推運動而無法回拉。最后進行了毛細波對不同尺寸顆粒、不同波源距離顆粒以及不同初始振幅毛細波對顆粒驅動研究，分析了由于顆粒尺寸和質量、毛細波傳播中能量的衰減以及波長與波速之間的關系對顆粒驅動的影響。