Flow Visualization Study of Quantum Hydrodynamics in Superfluid Helium-4

超流 Helium-4 中量子流体动力学的流动可视化研究

基本信息

  • 批准号:
    1807291
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 33.5万
  • 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:
    2018-08-01 至 2021-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

When liquid helium is cooled to about -271 degrees Celsius, it becomes an inviscid superfluid and can do things that other fluids cannot, such as seeping through ultra-thin cracks and climbing over container walls. The fascinating hydrodynamics of superfluid helium has many important scientific and engineering applications. For instance, it supports the most efficient heat-transport mechanism as a coolant material, and it also allows the generation of violent turbulent flows in compact laboratory equipment for model testing of airplanes and ships. However, the lack of quantitative flow measurement tools in this cold fluid has impeded progress in understanding and utilizing its hydrodynamics. In this project, the research team aims to elucidate the nature of emergent properties of various turbulent flows in superfluid helium by employing a newly developed molecular-tagging flow visualization technique. This research is expected to produce fundamental knowledge indispensable for better applications of superfluid helium. The research team is composed of graduate and undergraduate students. These students can gain experience in fluid dynamics, cryogenics, and advanced laser technologies. These skills give the students the technical dexterity necessary to excel in today's science- and technology-dominated market. In addition, the research team plans to conduct demonstrations involving superfluid helium in various educational and outreach programs at the National High Magnetic Field Laboratory to introduce profound scientific concepts to the general public.The objective of the research work is to apply a newly developed molecular tagging velocimetry (MTV) technique to tackle outstanding problems in two forms of flows in superfluid helium: thermal counterflow that can be produced by an applied heat current and quasiclassical flow that can be generated via mechanical forcing. Preliminary study on counterflow in the principle investigator's lab has revealed a novel form of turbulence. Understanding this turbulence is now regarded as one of the most challenging problems in quantum turbulence research. Using the MTV technique, the research team plans to conduct systematic study on how the energy spectrum of the counterflow turbulence may vary with heat flux in a wide range of temperatures. This information can form the base for the development of a theoretical understanding of the intriguing counterflow turbulence. In the experiment on studying towed-grid generated quasiclassical turbulence, flow visualization is combined with second sound attenuation method for probing the motion of the two fluid components in superfluid helium. The research team plans to examine the two-fluid coupling model and measure emergent flow properties that cannot be reliably determined in the past. This work is expected to pave the way for various exciting applications of superfluid helium in future turbulence research.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.
当将液体氦冷却至约-271摄氏度时,它变成了无粘性的超流体,并且可以做其他流体无法做到的事情,例如渗入超薄的裂缝并爬过容器墙。超氟氦的引人入胜的流体动力学具有许多重要的科学和工程应用。例如,它支持最有效的热传输机制作为一种冷却剂材料,并且还允许在紧凑型实验室设备中生成剧烈的湍流,以进行飞机和船舶的模型测试。然而,这种冷液中缺乏定量流量测量工具阻碍了理解和利用其流体动力学的进展。在该项目中,研究小组旨在通过采用新开发的分子诱人的流动可视化技术来阐明超流体氦气中各种湍流的新兴特性的性质。预计这项研究将产生基本知识,对于更好地应用超流体氦气是必不可少的。研究小组由研究生和本科生组成。这些学生可以获得流体动力学,低温和高级激光技术的经验。这些技能为学生提供了在当今以科学和技术为主导的市场中脱颖而出的技术灵活性。此外,研究团队计划在国家高磁场实验室进行涉及各种教育和外展计划中涉及超级流体氦气的示威游行,以向公众介绍深刻的科学概念。研究工作的目的是将新开发的分子标记速度测量(MTV)技术应用于供应的效果和超级流量的两种形式,以便在超级流动的室内供应:可以通过机械强迫产生的准经典流。原则研究者实验室中有关逆流的初步研究揭示了一种新型的湍流形式。现在,了解这种湍流被视为量子动荡研究中最具挑战性的问题之一。使用MTV技术,研究小组计划对逆流湍流的能量光谱在广泛温度下的热通量变化进行系统研究。这些信息可以构成对有趣的反流湍流的理论理解的基础。在研究牵引网格产生的准经典湍流的实验中,流动可视化与第二种声音衰减方法相结合,用于探测超流体氦气中两种流体成分的运动。研究小组计划检查两流体耦合模型,并测量过去无法可靠地确定的新兴流量属性。预计这项工作将为超级流体氦气在未来的湍流研究中的各种令人兴奋的应用铺平道路。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是值得通过基金会的知识分子优点和更广泛的影响评估标准通过评估来支持的。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Fully Coupled Two-Fluid Dynamics in Superfluid He4 : Anomalous Anisotropic Velocity Fluctuations in Counterflow
超流体 He4 中的完全耦合二流体动力学:逆流中的反常各向异性速度脉动
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.124.155301
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Yui, Satoshi;Kobayashi, Hiromichi;Tsubota, Makoto;Guo, Wei
  • 通讯作者:
    Guo, Wei
Torque and Angular-Momentum Transfer in Merging Rotating Bose-Einstein Condensates
合并旋转玻色-爱因斯坦凝聚中的扭矩和角动量传递
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.124.105302
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Kanai, Toshiaki;Guo, Wei;Tsubota, Makoto;Jin, Dafei
  • 通讯作者:
    Jin, Dafei
Superdiffusion of quantized vortices uncovering scaling laws in quantum turbulence
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  • DOI:
    10.1103/physrevfluids.3.094601
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Varga, Emil;Gao, Jian;Guo, Wei;Skrbek, Ladislav
  • 通讯作者:
    Skrbek, Ladislav
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  • 发表时间:
    2020-04
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  • 影响因子:
    15.1
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    Xiaohui Liu;Ying Liu;Shaoyong Lu;Zhi Wang;Yongqiang Wang;Guodong Zhang;Xiaochun Guo;Wei Guo;Tingting Zhang;Beidou Xi
  • 通讯作者:
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