通过建立同轴喷嘴和粉末输运过程的数值模型，采用数值仿真模拟的方式研究了不同工艺参数下，同轴喷嘴在垂直和倾斜使用工况下粉末汇聚性的变化规律。结果表明：粉末聚焦处的粉末浓度随载粉气速度的增加而降低，而保护气速度对粉末浓度影响较小；在载粉气流量为8 L/min，保护气流量为20 L/min，送粉量为15.8 g/min时，相比于同轴喷嘴垂直使用，倾斜使用条件下粉末的聚焦高度由19 mm升高到21 mm，焦点直径由3.7 mm增大到4.2 mm；同轴喷嘴垂直使用时粉末分布的均匀性更好；数值模拟结果与试验结果吻合良好，可以准确反映不同送粉方式中粉末的输运特性。

利用多喷嘴喷墨打印PEDOT∶PSS墨水，重点分析喷墨打印驱动电压波形的高压V_H、低压V_L、上升沿时间T_R、峰值时间T_P、下降沿时间T_F，通过对多喷嘴同时喷射墨滴的速度与体积的调控优化，获得了喷射稳定、体积均匀的墨滴；进一步提出多喷嘴喷射墨滴体积方差的分析方法，结果表明不同喷嘴同时喷射墨滴的体积变化方差在0.006~0.170范围内。利用体积变化方差对喷墨打印驱动电压参数影响墨滴行为能力的大小进行了排序，其影响能力从大到小为T_R、T_P、V_H、T_F、V_L。多喷嘴喷射墨滴体积方差分析方法为实现多喷嘴大面积打印提供了重大的指导意义。

以激光喷射锡球键合时使用的抗激光冲击性能存在明显差异的WC喷嘴为研究对象，借助扫描电子显微镜/能量色散X射线光谱仪对比观察了微观组织及成分之间的差异，结合材料与光束相互作用理论，研究了Co含量和微裂纹影响WC喷嘴抗激光性能的微观机制。测试结果显示，WC颗粒尺度、贯通状微裂纹和金属黏结剂Co含量存在明显不同。分析表明：因烧结压强过大引起的贯通状微裂纹会对激光产生“光陷”现象，并在其周围形成温度较高的热影响区，该区域内熔点较低的Co易于熔化；在喷嘴小孔前端热影响区附近，熔化后的Co和锡球容易发生冶金反应，形成沾锡，严重时喷嘴失效；裂纹越严重、Co含量越高，WC喷嘴的抗激光冲击性能越差。由此可知，降低Co含量和烧结压强，可以有效改善喷嘴的抗激光冲击性能。

面向植入式微泵在生物医疗领域的应用需求，为了提高低电压及微型化条件下微泵的输出流量，该文设计了一种双层泵腔压电无阀植入式微泵。基于压电振子的压电耦合仿真以及微泵的电-固-液三相耦合仿真，验证了双层泵腔微泵设计的有效性，并优化了结构及驱动参数。通过实验验证了耦合仿真结果的正确性,并测试了微泵的流量范围。结果表明，微泵最优设计参数：扩散角为30°，颈宽为300 μm，上层泵腔高度为100 μm。微泵的净流量随电压的增大而增大，且适用于低频驱动。实验结果表明，双层泵腔压电无阀微泵的输出流量是传统压电无阀微泵的5.38倍。

为了获得一种匹配3 kW宽带矩形激光器的同轴送粉喷嘴，采用了Fluent软件的离散相模型，对同轴送粉喷嘴粉末通道结构参数开展了四因素四水平的正交仿真试验，研究了结构参数对粉末汇聚浓度与粉斑尺寸的影响。结果表明，宽带同轴送粉喷嘴的粉末浓度在轴向与径向上均服从高斯分布，验证了喷嘴结构的合理性。四因素对粉末浓度的影响效果从大到小为：倾角、垂直高度、收缩角度以及出口间隙。当采用最优结构参数时，喷嘴可以在距离粉末出口24.6 mm的平面上形成一个3.08 mm×3.08 mm大小、最高质量浓度为32.29 kg/m3的矩形粉斑。最终通过送粉试验验证其合理性，为后续激光增材制造试验的开展提供依据及参考。

同轴送粉激光熔覆是一种在材料表面制备冶金结合涂层，用于提高表面性能的技术。为使粉末流与平顶激光较好地耦合，提高粉末利用率，保证粉末汇聚均匀，利用仿真软件、高速相机和图像处理软件，建立了激光熔覆工艺参数与粉末流在激光聚焦光斑上汇聚质量的关系。利用流体分析软件模拟并结合试验，设计较好的送粉工艺，提高粉末利用率，改善熔覆成形质量。通过三维建模和软件分析，研究了工艺参数对同轴送粉光粉耦合效应的影响，当粉末盘转速为1.2 r/min、载气流速为4 L/min时，粉末流与激光束的耦合形态最佳、粉末流利用率高、收敛特性好、熔覆层形貌较好。

适用于水导激光加工工艺的毛细带锥角喷嘴, 其内部流动状态复杂。为了获得喷嘴内部高度稳定水束, 采用有限元流体计算软件模拟分析的方法, 进行了适用于水导激光工艺的缩流型喷嘴内流场模拟分析和数值验证, 取得了生成高速稳定水束的参量数据。结果表明, 随着平面喷嘴入口压力逐渐增加, 毛细段长径比值减小, 流体进入喷嘴内部与毛细段壁面发生完全分离, 无明显的空化现象发生, 形成稳定光滑的缩流型水束, 喷嘴入口压力为50MPa时, 毛细管直径分别为0.128mm, 0.07mm, 0.03mm的喷嘴内部水束再附壁长度可达毛细管长度90%, 锥角管为10°时,经过锥角段的水束会再次附壁。模拟分析所得参量对水导激光缩流型喷嘴选取提供指导。

高通量单分散纳升 /皮升液滴的制备在数字 PCR、质谱分析、细胞筛选等生物医学领域至关重要, 而现有的技术制备速率只能达到 1 000/s。本文提出了一种离心力与微喷嘴阵列相结合的微流控芯片, 实现了超高通量液滴的制备。首先, 对离心液滴微流控芯片进行设计, 通过有限元仿真详细分析了微喷嘴尺寸、离心加速度和流量等参数对液滴尺寸的影响, 获得了纳升级液滴芯片的设计参数, 使用微纳加工方法制作离心式液滴生成芯片, 并进行了液滴的高通量生成实验。实验与仿真结果表明: 液滴尺寸与离心加速度成反向关系, 与微喷嘴尺寸成正向关系, 并在很大的流量范围内液滴尺寸基本不变, 表现出优异的鲁棒性。本液滴生成芯片在离心加速度 250g~500g下, 可制备液滴直径为 105~145 μm, 制备速率达 27 000个/s, 且直径一致性良好( CV<3%), 证明本液滴生成芯片具有超高通量的特点。

同轴送粉喷嘴是激光金属增材制造系统装备的核心部件之一,直接影响着激光增材制造零件的成形精度及性能。因其重要性,国内外学者们已开发出多种新型送粉喷嘴。简要从“光外送粉”和“光内送粉”两种光粉相对位置不同的送粉方式概括了国内外对同轴送粉喷嘴的研究,并从激光束和粉末束是否可变焦的角度进行了分析,指明了现有同轴送粉喷嘴的特点,对未来同轴送粉喷嘴的发展进行了展望。