Miscibility-immiscibility conundrum in air-liquid-vapor flow modeling: Bridging the gap by using the phase-field method

空气-液体-蒸汽流建模中的混溶性与不混溶性难题:使用相场方法弥合差距

基本信息

  • 批准号:
    1805817
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 35.97万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-09-01 至 2023-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Mixtures of air, liquid water, and water vapor are ubiquitous in nature and in engineering processes. These mixtures occur in energy generation, transport of marine vehicles, inhalation drug therapies, and in cloud formation in the atmosphere. Currently, there is no general theory to describe the fluid dynamics behavior of these mixtures, which limits a wide range of scientific and technological advances. This research will develop a first-principles-based computational model that will provide a theoretical framework for understanding the physics of air, liquid water, and water vapor mixtures. The investigators will use highly controlled experiments to provide physical insights and validate the computational method. This research will deliver interdisciplinary advancements at the interface of engineering, mathematics, and physics. The research broader impacts will be complemented by outreach and educational activities. These include an initiative to reshape the way fluid mechanics is introduced to undergraduate students and recruiting and retention activities for groups that are underrepresented in STEM fields.Multiphase flow dynamics has received significant attention from the scientific community due to the captivating physics produced by the interplay of miscibility, inertial forces, viscous forces, and surface tension. While there has been significant progress in understanding single-component, two-phase flows (e.g., vaporization and condensation of a single chemical species), and single-phase, two-component flows (for example, bubbly flows composed of air and water), the dynamics of flows involving simultaneously two phases and two components are not well understood. This project will develop a new first-principles-based computational model that captures all physical factors relevant to air, liquid water, and water vapor flows. The model will be validated through state-of-the-art experiments monitoring the interface dynamics, velocity and pressure fields in three dimensions. The model will be based on the phase-field theory that allows a natural transition between miscible (air and water vapor) and immiscible (air and liquid water) mixtures, providing an ideal enabling theoretical framework. The integrated computational and experimental research to be developed in this project promises to constitute a leap forward in our ability to investigate flows involving air, liquid water, and water vapor and will provide the enabling tools for transformative advances across numerous engineering and science applications.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
空气,液态水和水蒸气的混合物本质和工程过程无处不在。 这些混合物发生在能量产生,海洋车辆的运输,吸入药物疗法以及大气中的云形成中。 当前,没有一般理论来描述这些混合物的流体动力学行为,这限制了广泛的科学和技术进步。这项研究将开发一个基于第一原理的计算模型,该模型将为理解空气,液体水和水蒸气混合物的物理学提供一个理论框架。研究人员将使用高度控制的实验来提供物理见解并验证计算方法。这项研究将在工程,数学和物理学的界面上提供跨学科的进步。该研究更广泛的影响将得到外展和教育活动的补充。 这些计划包括一项重塑流体力学的计划,并向本科生引入流体力学,以及在STEM领域中人为人数不足的团体的招聘和保留活动。多阶段流动动力学因科学界而受到了科学界的极大关注,这是由于迷人的物理学是由于相互作用,偶然性,勤奋,锻炼力,锻炼力,锻炼力量,锻炼力量,可效力,表面效应和表面上的效力和表面性和表面性和表面效应和表面性的。尽管在理解单一组件方面取得了重大进展,但两相流动(例如,单个化学物质的汽化和冷凝)和单相的两个组分流(例如,由空气和水组成的气泡流动),涉及两个阶段和两个组成部分的流动动力学。该项目将开发一种新的基于第一原理的计算模型,该模型捕获与空气,液态水和水蒸气流有关的所有物理因素。该模型将通过最新的实验进行验证,以监视三个维度的界面动力学,速度和压力场。该模型将基于相位理论,该理论允许可混杂的(空气和水蒸气)与不混溶(空气和液体水)混合物之间的自然过渡,从而提供了理想的理论框架。该项目将要开发的综合计算和实验研究有望构成我们调查涉及空气,液体水和水蒸气的流动的飞跃,并将为众多工程和科学应用程序提供有利的工具。该奖项反映了NSF的法定任务,反映了通过使用基金会和广泛的评估来进行评估,并具有值得的支持。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Understanding how non-condensable gases modify cavitation mass transfer through the van der Waals theory of capillarity
了解不凝性气体如何通过毛细管现象的范德华理论改变空化传质
  • DOI:
    10.1063/5.0021697
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Mukherjee, Saikat;Gomez, Hector
  • 通讯作者:
    Gomez, Hector
Effect of dissolved gas on the tensile strength of water
溶解气体对水拉伸强度的影响
  • DOI:
    10.1063/5.0131165
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Mukherjee, Saikat;Gomez, Hector
  • 通讯作者:
    Gomez, Hector
Stabilized formulation for phase-transforming flows with special emphasis on cavitation inception
Flow and mixing dynamics of phase-transforming multicomponent fluids
相变多组分流体的流动和混合动力学
  • DOI:
    10.1063/1.5109889
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Mukherjee, Saikat;Gomez, Hector
  • 通讯作者:
    Gomez, Hector
A novel method to impose boundary conditions for higher-order partial differential equations
一种为高阶偏微分方程施加边界条件的新方法
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  • 发表时间:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • DOI:
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    O. Yabut;H. Ng;K. Yoon;Hector Gomez;Jessica Arela;S. Pleasure
  • 通讯作者:
    S. Pleasure

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  • 财政年份:
    2013
  • 资助金额:
    $ 35.97万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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