Onset of Turbulence in Dusty Plasma Liquids

尘埃等离子体液体中湍流的开始

基本信息

批准号：
1903450
负责人：
Lorin Matthews
金额：
$ 25.78万
依托单位：
Baylor University
依托单位国家：
美国
项目类别：
Continuing Grant
财政年份：
2019
资助国家：
美国
起止时间：
2019-08-01 至 2023-07-31
项目状态：
已结题

来源：
https://www.nsf.gov/awardsearch/showAward?AWD_ID=1903450&HistoricalAwards=false
关键词：
Onset Turbulence Dusty Plasma Liquids

项目摘要

This project will investigate the fundamental physical mechanisms guiding onset of turbulence in charged media, a plasma composed of electrons, ions, and dust particles, by numerically modeling the motion of dust particles in the plasma environment. Understanding the transition from laminar to turbulent flow in charged media is one of the very important scientific challenges as it affects complex processes such as nuclear fusion, dispersion of chemicals in the atmosphere, formation of atmospheric storms, and aircraft stability. For example, flight turbulence is common, yet the origin of such phenomenon can be affected by a variety of factors, including wind flows, pressure or temperature gradients, and self-induced electricity, including lightning, in dusty atmospheres. In plasma conditions, the dust particles become charged and can form dusty plasma liquids, where various waves and instabilities can be observed. This makes dusty plasmas an ideal model system for the study of the laminar-to-turbulent transition.The dynamics of dusty plasmas is guided by the dust-dust interaction and the dust interaction with the plasma, both of which can lead to anomalous dust diffusion. In this project, the research team will investigate the connection between anomalous diffusion and the onset of a global instability, such as turbulence. The research team will develop an in-house analysis code, employing novel mathematical techniques from spectral theory and fractional calculus to model anomalous particle diffusion in disordered media with non-local interactions. For a given diffusion behavior, the analysis code will determine the corresponding time-evolved dynamical state of the system based on the evolution of its energy spectrum. To verify this novel technique, the predictions from the spectral analysis will be compared against the results from molecular dynamics simulations as well as experiments employing dusty plasma liquids exhibiting turbulent behavior.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.

该项目将通过对等离子体环境中尘埃颗粒的运动进行数值模拟，研究引导带电介质（由电子、离子和尘埃颗粒组成的等离子体）中湍流发生的基本物理机制。了解带电介质从层流到湍流的转变是非常重要的科学挑战之一，因为它会影响核聚变、化学物质在大气中的扩散、大气风暴的形成和飞机稳定性等复杂过程。例如，飞行湍流很常见，但这种现象的起源可能受到多种因素的影响，包括风流、压力或温度梯度以及尘埃大气中的自感电（包括闪电）。在等离子体条件下，尘埃颗粒带电并可以形成尘埃等离子体液体，在等离子体液体中可以观察到各种波和不稳定性。这使得尘埃等离子体成为研究层流到湍流转变的理想模型系统。尘埃等离子体的动力学受到尘埃-尘埃相互作用以及尘埃与等离子体的相互作用的引导，这两者都会导致异常尘埃扩散。在这个项目中，研究小组将研究异常扩散与全球不稳定（例如湍流）的发生之间的联系。研究团队将开发一个内部分析代码，采用谱理论和分数阶微积分等新颖的数学技术来模拟具有非局域相互作用的无序介质中的异常粒子扩散。对于给定的扩散行为，分析代码将根据系统能谱的演化来确定系统相应的随时间演化的动态状态。为了验证这项新技术，光谱分析的预测将与分子动力学模拟以及使用表现出湍流行为的尘埃等离子体液体的实验的结果进行比较。该奖项反映了 NSF 的法定使命，并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准。

项目成果

期刊论文数量（8）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Anomalous diffusion in one-dimensional disordered systems: a discrete fractional Laplacian method

一维无序系统中的反常扩散：离散分数拉普拉斯方法

DOI：
10.1088/1751-8121/ab7499
发表时间：
2020
期刊：
Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical
影响因子：
0
作者：
Padgett, J L;Kostadinova, E G;Liaw, C D;Busse, K;Matthews, L S;Hyde, T W
通讯作者：
Hyde, T W

Fractional Laplacian spectral approach to turbulence in a dusty plasma monolayer

DOI：
10.1063/5.0047649
发表时间：
2021-02
期刊：
Physics of Plasmas
影响因子：
2.2
作者：
E. Kostadinova;R. Banka;J. Padgett;C. Liaw;L. Matthews;T. Hyde
通讯作者：
E. Kostadinova;R. Banka;J. Padgett;C. Liaw;L. Matthews;T. Hyde

Analysis of an approximation to a fractional extension problem

分数可拓问题的近似分析

DOI：
10.1007/s10543-019-00787-y
发表时间：
2019
期刊：
BIT Numerical Mathematics
影响因子：
1.5
作者：
Padgett, Joshua L.
通讯作者：
Padgett, Joshua L.

Numerical study of anomalous diffusion of light in semicrystalline polymer structures

DOI：
10.1103/physrevresearch.2.043375
发表时间：
2020-06
期刊：
Physical Review Research
影响因子：
4.2
作者：
E. Kostadinova;J. Padgett;C. Liaw;L. S. Matthews;T. Hyde
通讯作者：
E. Kostadinova;J. Padgett;C. Liaw;L. S. Matthews;T. Hyde

A series representation of the discrete fractional Laplace operator of arbitrary order

任意阶离散分数拉普拉斯算子的级数表示

DOI：
10.1016/j.jmaa.2021.125323
发表时间：
2021
期刊：
Journal of Mathematical Analysis and Applications
影响因子：
1.3
作者：
Frugé Jones, Tiffany;Kostadinova, Evdokiya Georgieva;Padgett, Joshua Lee;Sheng, Qin
通讯作者：
Sheng, Qin