CDS&E: Multiscale Data Intensive Simulation and Modeling of Microemulsion Boiling: A New Paradigm for Boiling Enhancement

CDS

基本信息

  • 批准号:
    2347627
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 67.97万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2024
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2024-09-01 至 2027-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Novel high-power electronics, refrigeration systems and power generation equipment are being developed to revolutionize the technological foundations of industry. Dissipation of excessively high levels of heat generated in these applications is a fundamental bottleneck in their practical use. One potential method to resolve this issue is to use boiling of heat transfer fluids, which takes advantage of high energies associated with converting liquid to vapor and the accompanying liquid agitation. However, the current studies on the search for high performance heat transfer fluids rely mainly on empirical trial and error approaches and are focused on the use of refrigerants. The principal aim of this project is to explore the use of microemulsions as the boiling fluid, and to create a rational design framework for microemulsion boiling using an integrated computational and experimental approach. This project plans to study the causes of the enhancement in microemulsion boiling in order to further improve and deploy microemulsions in practical settings. The project will also encompass significant educational and outreach activities, involve minority students and art-in-science displays featuring microemulsion boiling experiments and simulations.The goal of this project is to develop a comprehensive picture of microemulsion boiling and use that information to design new and improved microemulsions for thermal management applications. It is currently not known why microemulsion boiling exhibits great order and regularity in bubble formation and growth and how bubbles grow to a very large size yet remain attached to the surface and still generate high heat fluxes at the surface. The project seeks to fill this knowledge gap by creating a rational design framework for studying microemulsion boiling based on closely coordinated simulation and experimental efforts. The simulation effort is focused on deploying leading edge, high accuracy computational methods (both existing and new methods proposed in this project) on a state-of-the-art open-source, massively parallel, GPU enabled continuum scale simulation framework. Experiments will be used to (i) guide the development of new computational methods and physics models, (ii) validate the numerical solver using matched experimental conditions, (iii) prepare new microemulsions with desirable properties suggested by the numerical simulations and (iv) finally validate the predicted enhancement in heat transfer using the new microemulsions. This integrated computational and experimental approach will (i) elucidate new physical mechanisms in microemulsion boiling, (ii) delineate which thermophysical properties of microemulsions need to be tuned for improved thermal performance, and (iii) engineer new microemulsions in the laboratory with desirable thermophysical properties. This approach is expected to yield unprecedented understanding on microemulsion boiling and impact thermal management of electronics/optoelectronics and industrial heat exchanger and distributed heating systems.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.
正在开发新的高功率电子设备、制冷系统和发电设备,以彻底改变工业的技术基础。在这些应用中产生的过高水平的热量的耗散是其实际使用中的基本瓶颈。解决该问题的一种潜在方法是使用传热流体的沸腾,其利用与将液体转化为蒸汽以及伴随的液体搅拌相关联的高能量。然而,目前对高性能传热流体的研究主要依赖于经验试错法,并且集中在制冷剂的使用上。本研究的主要目的是探索微乳液作为沸腾流体的应用,并利用计算和实验相结合的方法建立一个合理的微乳液沸腾设计框架。本计画将探讨微乳沸腾强化的原因,以进一步改善微乳的特性,并将其应用于实际环境中。该项目还将包括重要的教育和宣传活动,让少数民族学生参与,并举办以微乳液沸腾实验和模拟为特色的科学艺术展览,该项目的目标是全面了解微乳液沸腾,并利用这些信息设计新的和改进的微乳液用于热管理应用。目前尚不清楚为什么微乳液沸腾在气泡形成和生长中表现出很大的有序性和规律性,以及气泡如何生长到非常大的尺寸,但仍然附着在表面上,并且仍然在表面处产生高的热通量。该项目旨在通过建立一个合理的设计框架来填补这一知识空白,该框架基于密切协调的模拟和实验工作来研究微乳液沸腾。 模拟工作的重点是在最先进的开源、大规模并行、支持GPU的连续体规模模拟框架上部署领先的高精度计算方法(本项目中提出的现有方法和新方法)。实验将用于(i)指导新的计算方法和物理模型的开发,(ii)使用匹配的实验条件验证数值求解器,(iii)制备具有数值模拟所建议的理想特性的新微乳液,以及(iv)最终验证使用新微乳液的传热预测增强。这种集成的计算和实验方法将(i)阐明新的物理机制,在微乳液沸腾,(ii)划定的热物理性质的微乳液需要调整,以改善热性能,和(iii)工程师在实验室中的新的微乳液所需的热物理性质。这一方法有望在微乳液沸腾和影响电子/光电子和工业热交换器和分布式加热系统的热管理方面产生前所未有的理解。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 67.97万
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    Discovery Grants Program - Individual
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知道了