Pancake making and surface coating: Optimal control of a gravity-driven liquid film

机械 参数化复杂度 润滑 运动学 曲面(拓扑) 流量(数学) 最优控制 粘度 材料科学 数学 经典力学 物理 数学优化 几何学 复合材料 组合数学
作者
Édouard Boujo,Mathieu Sellier
出处
期刊:Physical review fluids [American Physical Society]
卷期号:4 (6) 被引量:12
标识
DOI:10.1103/physrevfluids.4.064802
摘要

This paper investigates the flow of a solidifying liquid film on a solid surface subject to a complex kinematics, a process relevant to pancake making and surface coating. The flow is modeled using the lubrication approximation, with a gravity force whose magnitude and direction depend on the time-dependent orientation of the surface. Solidification is modeled with a temperature-dependent viscosity. Because the flow eventually ceases as the liquid film becomes very viscous, the key question this study aims to address is: what is the optimal surface kinematics for spreading the liquid layer uniformly? Two methods are proposed to tackle this problem. In the first one, the surface kinematics is assumed a priori to be harmonic and parameterized. The optimal parameters are inferred using the Monte-Carlo method. This ``brute-force'' approach leads to a moderate improvement of the film uniformity compared to the reference case when no motion is imposed to the surface. The second method is formulated as an optimal control problem, constrained by the governing partial differential equation, and solved with an adjoint equation. Key benefits of this method are that no assumption is made on the form of the control, and that significant improvement in thickness uniformity are achieved with a comparatively smaller number of evaluations of the objective function.

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