Droplet wetting on chemically and mechanically structured surfaces

In dieser Arbeit wird das Benetzungsverhalten von Tröpfchen auf chemisch strukturierten und mechanisch strukturierten Oberflächen untersucht. Hier werden die Gleichgewichtsformen und die Quasi-Gleichgewichtsbewegungen von Tröpfchen auf chemisch strukturierten Oberflächen, das Benetzungsverhalten von Mehrphasentröpfchen auf chemisch heterogenen Oberflächen und das Tröpfchenpermeationsverhalten in einer einzelnen Porenstruktur angesprochen. Zu guter letzt wird das Phasenfeldmodell validiert, um die Tröpfchendynamik auf festen heterogenen Oberflächen zu untersuchen, und das validierte Modell wird verwendet, um die steuerbare Bildung von Satellitentröpfchen während des Entwässerungsprozesses für dünne Flüssigkeitsfilme auf chemisch strukturierten Oberflächen zu untersuchen. Für Tröpfchen auf chemisch strukturierten Oberflächen werden zunächst die Gleichgewichtsform von Tröpfchen und die Kontaktlinienbewegung auf chemisch streifenmusterierten Oberflächen untersucht. Es wurde gezeigt, dass das Phasenfeldmodell sehr robust ist, um die Gleichgewichtsform, die Ausbreitungsdynamik und die Phasenänderung von Tröpfchen auf chemisch strukturierten Oberflächen zu simulieren. Man erhält ein morphologisches Diagramm, das zeigt, dass das Tröpfchenaspektverhältnis und die Anzahl der Gleichgewichtsformen eng mit der skalierten Streifenbreite zusammenhängen. Durch die Vergleiche zwischen kondensierenden und verdampfenden Tröpfchen wird ein Hysteresephänomen beobachtet, das beweist, dass die unterschiedlichen Tröpfchenformen über unterschiedliche Bewegungspfade erreicht werden können. Darüber hinaus wird ein präzises mathematisch-physikalisches Modell vorgeschlagen, um die Tröpfchenkonfigurationen auf drei typischen programmierbaren chemisch strukturierten Oberflächen zu beschreiben. Dieses analytische Modell basiert auf der Berechnung der Oberflächenenergielandschaft und wurde erfolgreich gegen Phasenfeldsimulationen und Experimente validiert. Es kann als Anleitung für Experimente und Simulationen dienen, um verschiedene Gleichgewichtsformen ohne blinde Versuche zu finden. Dieses analytische Modell gilt insbesondere für die Situation, in der die Größe der chemischen Heterogenität mit der Tröpfchengröße vergleichbar ist. Basierend auf diesem Konzept wird ein modifiziertes Cassie-Baxter-Modell vorgeschlagen, um die anisotropen Benetzungskonfigurationen zu adressieren. Zusätzlich wird das Mehrphasen-Phasenfeldmodell verwendet, um das Benetzungsverhalten von Mehrphasentröpfchen auf chemisch strukturierten Oberflächen zu untersuchen, und die Wechselwirkung der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche, die durch unterschiedliche Werte der Grenzflächenspannungen beeinflusst wird, wird diskutiert. Das Phasenfeldmodell wird weiter validiert, um die Tröpfchenbenetzungszustände in einer Keilstruktur zu untersuchen. Danach wird das Tröpfchenbenetzungsverhalten in einer Porenstruktur theoretisch und numerisch untersucht, um das Kriterium für die Tröpfchenpermeation zu finden. Es ist erwiesen, dass der Öffnungswinkel und die Hydrophobizität des Substrats einen großen Einfluss auf das Tröpfchenpermeationsverhalten haben. Schließlich wird das Cahn-Hilliard-Modell mit Navier-Stokes-Gleichungen gekoppelt, um die Tröpfchendynamik auf chemisch strukturierten Oberflächen zu untersuchen. Wir finden eine neue Strategie zur Kontrolle der Bildung von Satellitentröpfchen durch gezielte Gestaltung der chemischen Muster

Custom Sine Waves Are Enough for Imitation Learning of Bipedal Gaits with Different Styles

Not until recently, robust bipedal locomotion has been achieved through reinforcement learning. However, existing implementations rely heavily on insights and efforts from human experts, which is costly for the iterative design of robot systems. Also, styles of the learned motion are strictly limited to that of the reference. In this paper, we propose a new way to learn bipedal locomotion from a simple sine wave as the reference for foot heights. With the naive human insight that the two feet should be lifted up alternatively and periodically, we experimentally demonstrate on the Cassie robot that, a simple reward function is able to make the robot learn to walk end-to-end and efficiently without any explicit knowledge of the model. With custom sine waves, the learned gait pattern can also have customized styles. Codes will be released at github.com/WooQi57/sin-cassie-rl.Comment: 7 pages, 11 figures, submitted to ICM

Numerical Simulation of Droplet Impact and Rebound on a Wall

The study is devoted to the numerical simulation of droplet impact and rebound on a horizontal surface. The phase-field method (PFM) is used. It is firstly validated for several cases from literature concerning the spreading characteristics of the impact of a single droplet and the coalescence of two droplets. All the numerical results are in good match with experimental data from literature. The numerical method is then applied to study the impact behavior of a single AdBlue droplet under different conditions. Several drop-impact regime maps for physical parameters such as contact angle (90-170°), impact velocity U (0.01-10 m/s) and droplet diameter D (0.01-3 mm) are generated, in which the deposit and rebounce regime are identified. Then, a regime map based on dimensionless parameters Weber number We (0.05-4) and Reynolds number Re (100-800) is generated, showing good agreement with experimental data from literature. Furthermore, regime maps based on Weber number We and contact angle for droplets of different sizes are generated. The regime map for smaller droplet shows no good agreement with the model from literature. At last, the effect of coalescence of two simultaneously impacting droplets on the rebound is investigated with this numerical method

Wetting Effect on Patterned Substrates

A droplet deposited on a solid substrate leads to the wetting phenomenon. A natural observation is the lotus effect, known for its superhydrophobicity. This special feature is engendered by the structured microstructure of the lotus leaf, namely, surface heterogeneity, as explained by the quintessential Cassie–Wenzel theory (CWT). In this work, recent designs of functional substrates are overviewed based on the CWT via manipulating the contact area between the liquid and the solid substrate as well as the intrinsic Young\u27s contact angle. Moreover, the limitation of the CWT is discussed. When the droplet size is comparable to the surface heterogeneity, anisotropic wetting morphology often appears, which is beyond the scope of the Cassie–Wenzel work. In this case, several recent studies addressing the anisotropic wetting effect on chemically and mechanically patterned substrates are elucidated. Surface designs for anisotropic wetting morphologies are summarized with respect to the shape and the arrangement of the surface heterogeneity, the droplet volume, the deposition position of the droplet, as well as the mean curvature of the surface heterogeneity. A thermodynamic interpretation for the wetting effect and the corresponding open questions are presented at the end

A thermodynamically consistent diffuse interface model for the wetting phenomenon of miscible and immiscible ternary fluids

The wetting effect has attracted great scientific interest because of its natural significance as well as technical applications. Previous models mostly focus on one-component fluids or binary immiscible liquid mixtures. Modelling of the wetting phenomenon for multicomponent and multiphase fluids is a knotty issue. In this work, we present a thermodynamically consistent diffuse interface model to describe the wetting effect for ternary fluids, as an extension of Cahn\u27s theory for binary fluids. In particular, we consider both immiscible and miscible ternary fluids. For miscible fluids, we validate the equilibrium contact angle and the thermodynamic pressure with Young\u27s law and the Young–Laplace equation, respectively. Distinct flow patterns for dynamic wetting are presented when the surface tension and the viscous force dominate the wetting effect. For immiscible ternary fluids, we manipulate the wettability of two contact droplets deposited on a solid substrate according to three scenarios: (I) both droplets are hydrophilic; (II) a hydrophilic droplet in contact with a hydrophobic one; (III) both droplets are hydrophobic. The contact angles at each triple junction from the simulations are compared with Young\u27s contact angle and Neumann\u27s triangle rule. Simulations for the validation of our work are performed in two and three dimensions. In addition, we model the evaporation process of a ternary droplet and obtain the same power law as that of previous experiments. Our model allows one to relate the interfacial energies with surface composition, enabling the modelling of the coffee-ring phenomenon in further perspective

How do chemical patterns affect equilibrium droplet shapes?

By utilizing a proposed analytical model in combination with the phase-field method, we present a comprehensive study on the effect of chemical patterns on equilibrium droplet morphologies. Here, three influencing factors, the droplet sizes, contact angles, and the ratios of the hydrophilic area to the hydrophobic area, are contemplated. In the analytical model, chemical heterogeneities are described by different non-linear functions. By tuning these functions and the related parameters, the analytical model is capable of calculating the energy landscapes of the system. The chemically patterned surfaces display complex energy landscapes with chemical-heterogeneity-induced local minima, which correspond to the equilibrium morphologies of the droplets. Phase-field (PF) simulations are accordingly conducted and compared with the predicted equilibrium morphologies. In addition, we propose a modified Cassie–Baxter (CB) model to delineate the equilibrium droplet shapes. In contrast to the classic CB model, our extension is not only restricted to the shape with a spherical cap. Both the energy landscape method and the modified CB model are demonstrated to have a good agreement with the PF simulations