Collaborative Research: Droplet transport in the vicinity of breaking waves: Experiments and simulations

合作研究:破碎波附近的液滴传输:实验和模拟

基本信息

  • 批准号:
    1829660
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 49.41万
  • 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:
    2018-10-01 至 2023-09-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The accurate prediction of spray and aerosol generation at the ocean surface is essential for a wide variety of applications including weather and climate predictions. This research aims at characterizing and quantifying droplet transport in the turbulent airflow around breaking surface waves in the ocean. A unique combined experimental and numerical approach is designed. At the air-sea interaction laboratory at the University of Delaware, controlled, repeatable breaking wave events will be re-produced, and measurements of droplet concentration and velocity for different droplet sizes will be used to directly estimate production fluxes. At the University of Notre Dame, measured waveforms and droplet production rates are used as inputs into large eddy simulations configured to recreate laboratory conditions. Droplet statistics are directly compared between experiments and simulations, and the simulations will provide a means for investigating momentum and thermodynamic exchange rates, as well as upscaling to field conditions. Numerical weather and climate models require accurate parameterizations of marine aerosol source fluxes, and only by understanding droplet transport immediately after production can these be faithfully improved. The results of this study will be used for training 2 PhD students and for engaging undergraduate students in STEM disciplines. The results will also be disseminated to a wide audience through the utilization of the research material for educational outreach efforts, including visualizations.The project provides an unprecedented view of droplet dynamics in the turbulent wave boundary layer. Virtually all field observations of spray production rates infer fluxes based on fixed-height concentrations, and this process requires making assumptions regarding the turbulent transport of droplets in the lowest regions of the marine boundary layer. For small droplets, many of these assumptions hold, but for large droplets - those with the largest potential for altering air-sea heat and momentum fluxes - factors such as droplet inertia, flow separation behind breaking waves, and preferred wave-relative ejection locations likely violate assumptions. The research plan is aimed at several specific objectives: (i) performing controlled laboratory experiments which inform numerical simulations, and making one-to-one comparisons of statistics and bulk balances; (ii) directly compute size-resolved vertical fluxes of droplets in both experiments and simulations, in order to reveal the influence of inhomogeneous and intermittent turbulence in the vicinity of surface waves; and (iii) determine the production/deposition velocity of droplets and expand to realistic conditions using the large eddy simulations. The key outcomes will include modified flux-profile relationships of droplets of varying size, and better-informed estimates of spray-induced fluxes of heat, momentum, and moisture.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.
对于包括天气和气候预测在内的各种应用,对海面上喷雾和气溶胶产生的准确预测至关重要。这项研究旨在表征和量化海洋中断裂表面波周围的湍流中的液滴传输。设计了一种独特的组合实验和数值方法。在特拉华大学的空气相互作用实验室中,将重新产生受控的,可重复的断裂波事件,并将使用不同液滴尺寸的液滴浓度和速度的测量来直接估计生产磁通量。在巴黎圣母院,测得的波形和液滴生产率被用作用于重现实验室条件的大型涡模拟的输入。在实验和模拟之间直接比较了液滴统计,模拟将提供一种研究动量和热力学汇率的方法,以及对现场条件的升级。数值天气和气候模型需要对海洋气溶胶源通量进行准确的参数化,并且只有在生产后立即理解液滴传输才能忠实地改善这些液滴。这项研究的结果将用于培训2名博士学位学生,并吸引本科生参与STEM学科。结果还将通过将研究材料用于教育外展工作(包括可视化)来传播给广泛的受众。几乎所有基于固定高度浓度的喷雾生产率的现场观察都推出通量,并且此过程需要对海洋边界层最低区域中液滴的湍流转运做出假设。对于小液滴,其中许多假设成立,但是对于大液滴(具有改变空气热和动量通量的可能性最大的大小液滴) - 诸如液滴惯性,断裂波后的流动分离以及首选的波浪层次射击位置的因素可能违反假设。该研究计划针对的几个特定目标:(i)执行受控实验室实验,这些实验为数值模拟提供信息,并对统计和批量余额进行一对一的比较; (ii)在实验和模拟中直接计算液滴的尺寸分辨垂直通量,以揭示表面波附近的不均匀和间歇性湍流的影响; (iii)确定液滴的生产/沉积速度,并使用大型涡流模拟扩展到逼真的条件。关键结果将包括变化尺寸的液滴的修改通量profile关系,以及对喷雾,动量和水分的喷雾引起的通量估计更明智的估计。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智力和更广泛影响的评估来通过评估来获得支持的。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Three‐Dimensional Measurements of Air Entrainment and Enhanced Bubble Transport During Wave Breaking
波浪破碎过程中空气夹带和增强气泡传输的三维测量
  • DOI:
    10.1029/2022gl099436
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Ruth, Daniel J.;Néel, Baptiste;Erinin, Martin A.;Mazzatenta, Megan;Jaquette, Robert;Veron, Fabrice;Deike, Luc
  • 通讯作者:
    Deike, Luc
An Eulerian model for sea spray transport and evaporation
海雾传输和蒸发的欧拉模型
  • DOI:
    10.1017/jfm.2020.314
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Veron, Fabrice;Mieussens, Luc
  • 通讯作者:
    Mieussens, Luc
Speed and Acceleration of Droplets Generated by Breaking Wind‐Forced Waves
  • DOI:
    10.1029/2022gl098426
  • 发表时间:
    2022-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    M. Erinin;B. Néel;D. Ruth;M. Mazzatenta;R. Jaquette;F. Veron;L. Deike
  • 通讯作者:
    M. Erinin;B. Néel;D. Ruth;M. Mazzatenta;R. Jaquette;F. Veron;L. Deike
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Le patient au centre du Congrès européen de cancérologie
  • DOI:
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    2018
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