MRI: Acquisition of a high-speed volumetric particle image velocimetry system for fluid mechanics research and research training in science, mathematics, and engineering

MRI:获取高速体积粒子图像测速系统,用于流体力学研究和科学、数学和工程方面的研究培训

基本信息

  • 批准号:
    1919570
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 38.47万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-09-15 至 2022-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Particle image velocimetry is a laser-based diagnostic technique used for non-intrusive flow velocity measurements. The acquisition of this instrument will enable interdisciplinary fluid mechanics research in biological, environmental, and engineering applications. The topics to be investigated span from turbulent flow over rough surfaces to blood flow within a heart. The findings of this research will aid in improving environmental protection and restoration efforts, reducing drag and increasing efficiency of flows across a surface, and determining the causes of congenital heart disorders. The state-of-the-art instrumentation will strengthen undergraduate research training, teaching, and outreach efforts at Union College. The research projects aided by this instrument will provide engaging research experiences for undergraduate students who will work alongside faculty. The use of this equipment also will be incorporated into the curriculum through demonstrations, laboratory experiments, and projects in science, mathematics, and engineering courses. Through outreach activities, the project researchers will spark the interest of underrepresented and economically disadvantaged middle and high school students in the fields of science, technology, engineering, and mathematics. Measurement of all three velocity components at high speeds throughout a volume will enable innovative research that will 1) investigate turbulent boundary layer perturbation by roughness elements arranged in tandem to understand the effects of sheltering and the modification to coherent structures; 2) characterize the turbulent flow over heterogeneous canopies resembling aquatic vegetation to highlight the effects of regional heterogeneities; 3) examine the flow over aerogel-based super-hydrophobic surfaces, which have potential to reduce drag without the need for complex fabrication approaches; 4) characterize the blood flow within the embryonic chick heart during its early formation stages to better understand the valve-less pumping mechanisms; 5) inspect the structure of convective flows within bryophyte shoot systems, which are suspected but have yet to be confirmed or quantified; and 6) determine the mechanisms of transition to turbulence induced by distributed roughness and describe the interaction of generated disturbances, which is necessary for designing roughness to mitigate transition.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.
粒子图像测速是一种基于激光的诊断技术,用于非侵入式流速测量。收购该仪器将使生物、环境和工程应用中的跨学科流体力学研究成为可能。要研究的主题涵盖从粗糙表面上的湍流到心脏内的血流。这项研究的结果将有助于改善环境保护和恢复工作,减少阻力并提高表面流动的效率,并确定先天性心脏病的原因。最先进的仪器将加强联合学院的本科生研究培训、教学和外展工作。该工具辅助的研究项目将为与教师一起工作的本科生提供引人入胜的研究经验。该设备的使用也将通过演示、实验室实验以及科学、数学和工程课程的项目纳入课程中。通过推广活动,项目研究人员将激发代表性不足和经济弱势的中学生和高中生对科学、技术、工程和数学领域的兴趣。在整个体积内高速测量所有三个速度分量将实现创新研究,这些研究将1)研究串联排列的粗糙度元素对湍流边界层的扰动,以了解屏蔽的效果和对相干结构的修改; 2)表征类似于水生植被的异质冠层上的湍流,以突出区域异质性的影响; 3)检查基于气凝胶的超疏水表面的流动,该表面有可能减少阻力,而不需要复杂的制造方法; 4) 表征雏鸡心脏早期形成阶段的血流特征,以更好地了解无瓣膜泵血机制; 5)检查苔藓植物芽系统内的对流结构,这是可疑的,但尚未确认或量化; 6) 确定由分布式粗糙度引起的湍流转变机制,并描述所产生的扰动的相互作用,这对于设计粗糙度以减轻转变是必要的。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的评估进行评估,认为值得支持。智力价值和更广泛的影响审查标准。

项目成果

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