Arrested on heating: controlling the motility of active droplets by temperature
本研究提出一种利用温度敏感表面活性剂混合物作为推进燃料的自驱动液滴实验系统，实现了从非稳态到被阻留运动等热可控且可逆的动态状态，并在原位实验中观察到了驱动自泳运动的基本首次对称破缺。
2025-03-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Controlling droplet spreading with topography
我们提出了一种新的实验系统，可用于研究皮升液滴的动力学与地形变化的基板上蔓延。我们集中在一个凹陷的体育场形状的像素内的液滴的传播，与应用程序的制造的POLED显示器，并发现，倾斜的侧壁的像素可以局部增强或阻碍传播取决于是否接触线前面的地形梯度是积极的或消极的。局部增强的扩散经由沿着像素的侧壁通过类似于尖角中的毛细上升的机制形成细尖的细流而发生。我们证明，薄膜模型与实验测量的扩展定律（将接触线速度与接触角联系起来）相结合，可以对不断变化的液体形态进行出色的预测。我们还表明，对于大多数进化过程，考克斯-沃伊诺夫定律可以充分描述传播。该模型不包括粘性效应，因此，没有捕获薄尖细流传播的时间尺度。尽管如此，这个简单的模型可以非常有效地用于预测液体覆盖的面积，并可以作为一个有用的设计工具，需要精确控制基板上的液体的系统。
2017-01-03 physics.flu-dyn
Controlling the direction and amount of a splash with textured surface
由于飞溅是如此剧烈的过程，人们可能天真地认为液滴喷射的方向和喷射材料的量都无法精确控制。尽管在一天中会观察到无数次，但水滴飞溅是非常不直观的：例如，令人惊讶的是，周围的空气压力决定了水滴在撞击光滑表面时是否会飞溅。在这里，我们描述了一个具有重要实际意义的发现：喷射液滴的方向和数量可以通过表面的纹理来控制。
2010-08-17 physics.flu-dyn
Rarefied gas flow past a liquid droplet: interplay between internal and external flows
本文解析研究缓慢稀薄气体绕球形微纳液滴的流动，耦合液滴内部运动与气体动力学效应，揭示其对阻力、温压分布及整体动力学的影响。
2024-01-26 physics.flu-dyn
Controlling wetting with electrolytic solutions: phase-field simulations of a droplet-conductor system
不混溶两相系统的润湿特性在从芯片实验室设备到现场规模的石油开采的广泛应用中至关重要。人们早就知道，有效的润湿性能可以通过施加电场来改变;这种现象被称为电润湿。在这里，我们从理论上和数值上考虑位于（绝缘）导体上的单个液滴，即，在电容器内。液滴由没有溶质的纯相组成，而周围的流体含有对称的单价电解质，并且它们之间的界面是不可渗透的。利用非线性Poisson-Boltzmann理论，我们提出了一个理论预测的表观接触角的依赖于所施加的电势。然后，我们提出了良好解决的动态模拟的电润湿使用相场模型，其中整个两相电动力学问题，包括双电层（EDLs），得到解决。模拟结果表明，虽然接触角在小于EDL的尺度上不受施加电场的影响，但在超过EDL的尺度上形成表观接触角。该接触角随时间向饱和的表观接触角松弛。接触角对外加电势的依赖性与理论预测相符。唯一的唯象参数的预测只取决于两个阶段之间的渗透率比。基于所得到的统一描述，我们得到了一个有效的表达式的接触角，可用于更宏观的数值模拟，即电动力学问题没有完全解决。
2018-05-03 physics.chem-ph physics.flu-dyn
On the utility of cloth facemasks for controlling ejecta during respiratory events
使用计算流体动力学模拟来分析佩戴简单的布面罩的效用。我们模拟了通过面罩的空气动力学流动和由呼吸事件（如咳嗽或打喷嚏）引起的液滴喷出物的空间传播。在没有掩模的情况下，湍流射流形成，并且喷射具有宽尺寸分布的液滴。大的液滴（直径大于125 μm）会在2米范围内落到地面，而湍流云则会将小的雾化液滴的薄雾输送到相当远的距离（约5米），这与报告的实验结果一致。一个宽松的简单棉布口罩（孔径约4微米）定性地改变了高速射流的传播，并在很大程度上消除了口罩下游的湍流云。考虑到面部和面罩之间的均匀间隙仅为1 mm，约12%的气流泄漏在面罩的侧面周围。喷出物的扩散也发生了变化，大多数大液滴被困在面罩表面。我们呈现了空气中的病毒载量和人周围的沉积，并表明当感染者咳嗽或打喷嚏时，即使戴一个简单的布口罩也能大大降低病毒颗粒的空间传播程度。
2020-05-05 physics.flu-dyn physics.med-ph physics.soc-ph
Controlling the dewetting morphologies of thin liquid films by switchable substrates
本文计算研究了沉积在时空变化接触角建模的可切换基底上的不稳定薄膜动力学，发现通过控制润湿性变化率可形成亚稳态细流，并基于单一无量纲参数提出了细流判据及理论解释。
2021-12-17 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.comp-ph
Synchronous Droplet Microfluidics: One "Clock" to rule them all
从基础科学和技术的角度来看，在微尺度上有效地控制流体液滴都具有极大的兴趣。我们已经设计并开发了一种通用的，高度可扩展的微流体控制策略，通过一个单一的全局时钟信号，使任意数量的液滴在一个平面几何形状的同步控制。旋转旋进磁场提供全局时钟信号，从而能够同时控制液滴位置、速度和轨迹。在这里，在这个流体动力学视频中，我们解释了这个新的微流体概念的主要物理原理。包括来自在不同流体回路中同步移动的液滴的视频数据。描述了实验装置，并分析了视频数据，以提供传播液滴的时间动态的详细视图。最后，我们探讨了这一概念的操作限制，标度和相图与物理制度图。
2013-10-14 physics.flu-dyn
Surfactant-driven flow transitions in evaporating droplets
蒸发液滴是一个动态系统，其中自发产生流动以使表面能最小化，将颗粒拖到边界并最终导致所谓的“咖啡污渍效应”。在液滴表面，情况变得更加复杂，其中不同性质的表面张力梯度可以彼此竞争，从而产生不同的情况。通过仔细的实验和3D粒子跟踪技术的帮助下，我们能够表明，不同类型的表面活性剂把液滴的表面刚性或弹性，这改变了蒸发流体的流动，无论是增强经典的咖啡染色效果或导致总流量反转。我们的测量导致前所未有的和详细的测量沿蒸发液滴的表面的表面张力差异具有良好的时间和空间分辨率。
2015-11-23 physics.flu-dyn
Topography-induced symmetry transition of droplets on quasi-periodically patterned surfaces
准晶的准周期结构在不同的体系中产生了新的效应。然而，很少有研究采用准周期结构的形态控制。在这里，我们展示了准周期性表面结构在控制液滴过渡中的应用。虽然表面结构似乎随机样，我们发现，在这些表面上，液滴蔓延到定义良好的5倍对称的形状和对称的液滴形状自发恢复在蔓延过程中，迄今为止未报道的液滴的形态控制。为了获得这些对称性转变的物理见解，我们进行能量分析，并通过改变液滴和图案化表面的性质进行系统的实验。结果表明，决定液滴形状的主导因素是表面形貌和表面结构的自相似性。我们的研究结果显着推进液滴形态的控制能力。这种准周期图案化策略可以提供一种实现复杂图案的新方法。
2017-07-14 physics.app-ph physics.flu-dyn
Terminal states of thermocapillary migration of a planar droplet at moderate and large Marangoni numbers
本文用解析和数值方法研究了中等和较大Marangoni数下平面液滴的热毛细迁移。利用量纲分析法确定了热扩散时间尺度为热毛细液滴迁移系统的控制时间尺度。在此期间，整个热毛细迁移过程得到充分发展。通过使用前沿跟踪方法，在比热扩散时间尺度更长的时间尺度上捕获中/大Marangoni数下的稳态/非稳态作为终端状态。在终端状态下，大Marangoni数时非稳态运移过程的瞬时速度场具有中等Marangoni数时稳态运移过程的形式。但从前面的瞬时温度场来看，在拐点出现后，液滴顶面的表面张力逐渐成为液滴驱动力的主要分量。这与液滴底部表面的表面张力是液滴驱动力的主要分量不同。热毛细液滴迁移的物理机制可以被描述为液滴周围的热对流的重要性高于/正如在大/中等Marangoni数下穿过液滴的热传导。
2017-05-29 physics.flu-dyn
Reinforcement-learning-assisted control of four-roll mills: geometric symmetry and inertial effect
本文利用四辊磨的几何对称性提升深度强化学习训练效率，在中等惯性效应的非线性条件下实现了对被偏移液滴的稳健居中控制，并指出了处理惯性延迟效应的未来方向。
2025-05-02 physics.flu-dyn
Behavior of self-propelled acetone droplets in a Leidenfrost state on liquid substrates
它表明，非聚结液滴的丙酮可以在液体基板上形成。记录了悬浮在水面上的丙酮液滴周围和内部的流体流动，以阐明可能导致非聚结的机制。对于足够低的冲击速度，液滴在液体基质的表面上经历阻尼振荡，但在较高的速度下发生干净的反弹。实验观察到的静态配置的浮动液滴的预测从一个理论模型为一个小的非润湿的刚性球体休息在液体基板上的比较和一个试探性的策略，用于确定下一个小液滴在液体上的蒸汽层的厚度提出。该策略基于有效表面张力的概念。液滴以可以归因于马兰戈尼效应的方式在直线轨迹中显示自推进。令人惊讶的是，自推进的水滴可以浸入未受干扰的水面之下。这种现象被认为是阻力诱导的，并可能提供一个基础，在以前的工作中改进的意见。
2017-02-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The motion of respiratory droplets produced by coughing
2019冠状病毒病（COVID-19）已成为全球流行性呼吸道传染病，具有高死亡率和传染性。本文研究呼吸飞沫传播，这是理解，建模和控制流行病的关键。在目前的工作中，我们实现了流动可视化，粒子图像测速技术（PIV）和粒子阴影跟踪测速技术（PSTV）来测量气流和液滴参与咳嗽的速度，然后构建一个物理模型，考虑蒸发效应来预测液滴在不同的天气条件下的运动。实验结果表明，咳嗽气流的对流速度与时间呈$t^{-0.7}$关系，因此，在我们的测量范围内，咳嗽气流与咳嗽者的距离增加了$t^{0.3}$。将这些实验结果代入物理模型中揭示了小液滴（初始直径$D \leq$ 100 $μ$ m）蒸发成液滴核，并且具有$D \geq$ 500 $μ$ m和初始速度$u_0 \geq$ 5 m/s的大液滴行进超过2 m。冬季低温和高相对湿度的条件可能导致更多的飞沫沉降到地面，这可能是秋冬季节第二波大流行的可能驱动因素。
2020-10-24 physics.flu-dyn physics.med-ph
Optimal Control of Droplets on a Solid Surface using Distributed Contact Angles
控制固体表面上移动和固定液滴的形状和位置是微流体应用中经常发现的重要特征。然而，自动化它们，例如，对于高通量应用，很少涉及基于模型的最优控制策略。在这项工作中，我们证明了最优控制的形状和位置的液滴在倾斜表面上滑动。这个基本测试用例是许多微流体设计中的基本构建块。固体表面、周围气体和液滴之间的静态接触角用作控制变量。通过使用几个控制贴片，例如，如同在电润湿中所做的那样，允许接触角在空间和时间上变化。在计算机实验中，我们能够使用基于梯度的优化来计算数学上最佳的接触角分布。液滴的动力学由Cahn-Hilliard-纳维-斯托克斯方程描述。我们期望我们的演示将成为更复杂的优化设计和控制概念的起点。
2020-04-12 physics.app-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Adjoint-based Control of Three Dimensional Stokes Droplets
本文提出基于连续伴随公式和形状微积分的高阶边界积分优化框架，通过远场速度边界条件控制Stokes流中液滴变形，并验证了方案的精度与稳定性。
2022-10-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Numerical and Theoretical Modeling of Droplet Impact on Spherical Surfaces
液滴对固体表面的冲击是增材制造、热管理和涂覆中广泛涉及的流体现象，其中对冲击动力学和持续时间施加控制的能力是至关重要的。虽然过去的研究已经建立了一个全面的了解的影响，平面基板上，我们知道的弯曲固体表面上的冲击动力学仍然是有限的。本文采用轴对称格子玻尔兹曼方法（LBM）和理论分析相结合的方法，研究了液滴在不同韦伯数（$We$）、半径（$R_s$）和表面润湿性（$θ^{eq}$）的球面上的撞击过程.在我们以前的工作[H. Dalgamoni和X. Yong，Phys.Rev.E98，13102（2018）]进行了扩展和修改，以模拟液滴在低韦伯数状态下（即，$We \leq 15$），其中液滴变形的轴对称假设成立。LBM模拟结果表明，$We$、$R_s$和$θ^{eq}$对液滴在撞击过程中的扩展和反冲有显著影响.参数研究揭示了五种影响结果，从完全沉积到完全反弹。模拟预测相图的构建和相关的总时间，液滴与固体接触。此外，还建立了一个基于撞击过程能量收支的理论模型，预测了不同We时撞击球形目标的反弹阈值，并与模拟结果进行了比较。这些研究结果提供了基本的洞察表面结构设计控制液滴流体动力学和接触时间在影响。
2021-05-12 physics.flu-dyn
Gravitational effect in evaporating binary microdroplets
对Bond数为Bo $\ll$ 1的甘油-水二元亚毫米蒸发液滴的流动进行了实验研究和数值模拟。首先，我们测量的流场的基板附近的微PIV无座和悬垂液滴在蒸发过程中，这令人惊讶地显示相反的径向流动方向-向内和向外，分别。这一观察清楚地表明，尽管液滴尺寸很小，但重力效应在控制蒸发液滴中的流场方面起着至关重要的作用。我们从理论上分析了这种重力驱动效应是由甘油的低挥发性引发的，这导致了水的优先蒸发，然后两种组分的局部浓度差导致了驱动对流的密度梯度。我们表明，阿基米德数Ar是无量纲控制参数的引力效应的发生。我们证实了我们的假设，通过实验比较两个蒸发微滴系统，即甘油-水滴和1，2-丙二醇-水滴。我们得到不同的Ar，大于或小于一个单位，通过改变一系列的液滴高度，这对应于有或没有重力效应的情况下，分别。最后，我们数值模拟的过程中，发现很好的协议与实验结果，并再次证实我们的解释。
2019-02-06 physics.flu-dyn
Self propulsion of droplets driven by an active permeating gel
我们讨论的流场和推进速度的活性液滴，这是由体力驻留在刚性凝胶驱动。后者被建模为多孔介质，从而产生渗透力。在最简单的Brinkman方程模型中，多孔介质的特征在于单一的长度尺度$\ell$ -渗透率的平方根。我们计算了液滴内外的流场以及作为$\ell$函数的能量耗散。我们还表明，有最佳的凝胶分数，从而产生最大的线性和旋转速度。在极限$\ell\to\infty$，对应于一个非常稀的凝胶，我们恢复斯托克斯流。相反的极限，$\ell\to 0$，对应于空间填充凝胶，是奇异的，不等同于达西方程，它不能解释自推进。
2018-03-23 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Turbulence drag modulation by dispersed droplets in Taylor-Couette flow: the effects of the dispersed phase viscosity
湍流中的分散相可以从几乎无粘流体变化到高粘性流体。通过改变分散液滴相的粘度，实验研究了分散液滴的变形能力对湍流乳状液整体输运量的影响。采用不同种类的硅油以产生范围为$0.53$至$8.02$的粘度比$ζ$。液滴体积分数$ϕ$在0 ~ 10%范围内变化，间距为2%。由归一化摩擦系数$c_{f,ϕ}/c_{f,ϕ=0}$量化的全局输运量显示出由于液滴的有限尺寸效应消失而对湍流强度的弱依赖性。有趣的事实是，随着$ζ$的增加，$c_{f,ϕ}/c_{f,ϕ=0}$首先增加，然后饱和到与刚性颗粒悬浮液相似的平台值。通过图像分析，从液滴变形性的角度解释了这种阻力变化，这是液滴破碎和聚结效应的原因。对液滴粒径分布的统计分析表明，随着$ζ$的增加，界面张力对液滴粒径的稳定作用逐渐增强，纯惯性破碎过程占主导地位。沿系统径向的液滴分布的测量显示出体积聚集效应，这可以归因于液滴的不可忽略的聚结效应。结果表明，随着$ζ$含量的增加，液滴聚结效应受到抑制，从而影响界面张力对总应力的贡献，并解释了所观察到的乳液流变性。
2022-10-10 physics.flu-dyn
On-demand contact line pinning during droplet evaporation
根据接触线运动，富含胶体的液滴蒸发可以留下环状或点状残留物。在这里，我们确定了这个结果，通过控制接触线的运动，使用共面直流电润湿上的金属（DC-EWOD）。结合液滴形状和蒸发速率的理论计算，首先从实验和模拟中推导出随时间变化的驱动电压。由于对接触角的额外控制，即使在接触角滞后很小的表面（如均匀平坦的Teflon涂层）上，接触线也可以保持在钉扎状态。在没有EWOD控制的情况下，悬浮在液滴中的聚苯乙烯颗粒和大肠杆菌在初始接触的中心形成点状图案，而应用该机制导致半径可控的环状图案。与化学或结构图案化的基底不同，接触线可以在达到控制极限之前的任何预设时间恢复其迁移率，这对于在不同表面上准确且一致地制造所需图案的自组装纳米结构是有用的。
2019-05-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Structured flows regulate droplet dynamics in phase-separating fluids
Xiamen University（厦门大学）；Jiangsu University of Science and Technology（江苏科技大学）
本文通过平流Cahn-Hilliard模型证明，结构化流动可重塑化学势景观，捕获液滴、选择尺寸并逆转熟化层级，为控制相分离流体提供非平衡途径。
2026-09-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Suspension Dynamics of Droplets in Acoustic and Gravitational Fields
本文采用 Eulerian 形式声体积力将液滴建模为流体，揭示超出 Rayleigh 极限时液滴悬浮临界声能密度及节点/反节点位置随尺寸变化的动力学规律。
2024-12-09 physics.flu-dyn
Light-induced rotation of dye-doped liquid crystal droplets
本文从理论和实验两方面研究了掺染料和纯液晶微滴在圆偏振和椭圆偏振激光作用下的旋转动力学。液滴分散在水中并被激光束的焦点捕获。由于已知作用于分子指向矢的光学扭矩在光吸收染料掺杂材料中被强烈增强，因此产生了这样的问题：作用于整个液滴的总体光学扭矩是否也发生类似的增强。我们通过测量和比较由具有在染料吸收带内或外的波长的激光束引起的染料掺杂液滴的旋转速度，并且还将其与纯液晶液滴的旋转进行比较，来寻找这种增强。没有发现增强，证实光致染料效应仅与物质取向自由度和平移自由度之间的角动量内部交换有关。我们的结果也提供了第一个直接的实验证据的光致应力张量的存在，在照明染料掺杂液晶。最后，奇特的光致动力学效应预测发生在液滴中的分子导演是不是严格锁定的流量，但到目前为止，他们不能观察到。
2007-12-05 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.optics
Directional Control of Droplet Motion via Geometric Gating
Lehigh University（利哈伊大学）
本文提出两种新方法（平凹基底与二极管式门控）实现PDMS上水滴的定向运动，并展示其组合可同时操控多个液滴。
2026-10-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Inertial migration of a rigid sphere in three-dimensional Poiseuille flow
在惯性微流体装置内利用惯性升力来定位、分离和分选颗粒或液滴。然而，目前只能通过数值模拟来预测力及其聚焦位置，这使得合理的设备设计非常困难。在这里，我们开发的微通道几何形状的颗粒上的力的理论。我们使用数值实验来剖析纳维-斯托克斯方程中的主导平衡，并推导出一个渐近模型来预测颗粒上的横向力作为颗粒尺寸的函数。我们的渐近模型是有效的一系列广泛的颗粒尺寸和雷诺数，并允许我们预测如何聚焦位置取决于颗粒尺寸。
2014-12-16 physics.flu-dyn
Programming droplet motion using metamaterials
针对现有振动式液滴控制缺乏空间异质性与可调性的问题，本研究利用带局域共振短柱的超板，结合LEGO可重构平台与高分辨率激光测振，实验验证了超材料实现频谱和空间选择性液滴运动控制的潜力。
2024-03-12 physics.app-ph physics.flu-dyn
Droplet impact onto a spring-supported plate: analysis and simulations
液滴在柔性基底上的高速冲击是具有实际重要性的高度非线性过程，其在流体-结构相互作用的背景下提出了强大的建模挑战。我们提出了两种方法，旨在调查规范系统的液滴撞击到刚性板支持的弹簧和阻尼器：匹配渐近展开和直接数值模拟（DNS）。在前者中，我们推导出一个概括的无粘瓦格纳理论近似的流动行为在早期阶段的影响。在后者中，我们执行了详细的DNS，旨在验证分析框架，并提供了对所提出的数学模型无法达到的后期的洞察。从这两种方法中，我们观察到强烈的影响，板的质量，阻尼器的电阻和弹簧的刚度对固体的运动，经历强迫阻尼振荡。此外，我们研究如何板运动影响的液滴的动力学，主要是通过改变其内部的流体动力学压力分布。我们建立在这些技术之间的相互作用，证明了一种混合的方法，导致改进的模型和计算的发展，以及结果的解释，在多个长度和时间尺度。
2020-09-21 math.AP physics.flu-dyn
Observation of the Aharonov-Bohm Effect in Pilot-Wave Hydrodynamics
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Boston University（波士顿大学）
通过引导波流体动力学系统观测到Aharonov-Bohm效应，展示了无力、规范样的相位实现。
2025-12-24 physics.flu-dyn quant-ph
Tunable self-emulsification via viscoelastic control of Marangoni-driven interfacial instabilities
研究提出利用高分子量聚合物引入粘弹性来主动调控液-液界面Marangoni驱动的自乳化现象，通过实验与理论分析揭示了聚合物浓度与破碎前指状物长度的定量关系，为软材料系统中的界面动力学控制提供了预测性框架。
2025-05-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A New Drop Fluidics Enabled by Magnetic Field Mediated Elasto-Capillary Transduction
本研究介绍一种新的液滴射流，它使用可变形和可拉伸的弹性膜作为平台，而不是通常使用的刚性支撑。这种浸渍有磁性颗粒的软膜可以用外部电磁场进行调制，该电磁场产生具有不同表面曲率的大量地形地貌，其与毛细作用结合，可以有效且准确地引导和控制水滴的运动。当油膜上有一薄层油时，局部变形，就形成了中心对称的楔形。置于该含油膜上的水滴变得不对称变形，从而在液滴内产生拉普拉斯压力梯度，使其运动。一个简单的理论，占液滴的速度在这样的几何变量作为液滴的体积和覆盖的软弹性体膜的油膜的厚度，以及这样的材料变量作为油的粘度和油-水界面的界面张力。使用良好的控制模型系统的理论结果的验证之后，我们演示了如何电磁控制的弹性毛细力可以用来操纵的弹性体膜的表面上的单个和/或多个液滴的运动，以及如何这样的基本操作，如滴融合和热寻址的化学转化可以在水液滴中进行。预期所得到的液滴射流将适合于通过简单地接通和断开施加在弹性体膜下方的不同位置处的电磁场来数字控制液滴运动。我们预计，这种引导和操纵水滴的方法准备在各种生化反应工程中应用，其中一个例子是聚合酶链式反应（PCR）。
2016-06-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
