CAREER: Tuning liquid jet and splash dynamics by deformable and heterogeneous boundaries

职业:通过可变形和异质边界调整液体射流和飞溅动力学

基本信息

  • 批准号:
    2153740
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-09-01 至 2025-12-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

The stability of liquids flowing through gas is relevant to drug delivery, fabrication processes, and thermal management. The stability depends on the properties of the flowing fluid and on the mechanical and surface properties of the solid bodies in the system. To better understand the stability of liquid flow in these systems, this project will study how the properties of solid bodies affect both free liquid jets and water entry splashes. Specifically, this research will introduce (i) soft materials that deform in response to fluid motion, and (ii) spatially nonuniform solid wetting properties where the air, liquid, and solid phases meet. The feature of greatest interest in jets is the length at which the coherent liquid column disintegrates into drops. Here, this length will be controlled by employing deformable nozzles and nonuniform surface chemistry (i.e. wetting properties) at the orifice. In studying water entry, a solid impactor splashes into a liquid pool, and the resulting dispersed liquid and air-entraining cavity behavior are of interest. Such splash features will be modified using both solid projectiles with chemically nonuniform surfaces and via compliant solid films atop the liquid surface. These scientific endeavors integrate educational activities that engage local high school students and educators in the scientific process through lectures, classroom flow control experiments, mentored science fair projects, and research engagement workshops for teachers.The characterization of the coupled physics of dynamic three-phase contact lines with soft solids is in its infancy. This research effort seeks to explore fluid flows where the multiphase interface has been modified via material compliance and surface treatments. Experiments and theory will be used to understand the physics of jet stability with the inclusion of the aforementioned passive flow modifiers. A new understanding of initial disturbances and their suppression within free stream liquid jets will inform the adaptation of linear jet stability theory for deformable nozzles. The modification of free liquid surfaces with compliant media and the alteration of solid projectiles with heterogeneous boundaries will produce new theoretical treatments at moderate Weber numbers for vehicles entering water. Thus, conditions for cavity creation and collapse will be redefined, and the limits of lift force production from non-axisymmetric cavities will be explored. Experimental techniques include high-speed videography to capture flow features, digital tracking to elucidate kinematics, microscopy to image surfaces, and X-ray photoelectron spectroscopy to chemically characterize the solid surfaces used in this study.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.
流过气体的液体的稳定性与药物输送、制造工艺和热管理有关。稳定性取决于流动流体的特性以及系统中固体的机械和表面特性。 为了更好地了解这些系统中液体流动的稳定性,该项目将研究固体的特性如何影响自由液体射流和水进入飞溅。具体来说,这项研究将介绍(i)响应流体运动而变形的软材料,以及(ii)空气、液体和固相相遇处的空间不均匀固体润湿特性。射流最令人感兴趣的特征是连贯液柱分解成液滴的长度。在这里,该长度将通过在孔口处采用可变形喷嘴和不均匀的表面化学(即润湿特性)来控制。在研究水进入时,固体冲击器溅入液池,所产生的分散液体和空气夹带空腔行为令人感兴趣。这种飞溅特征将通过使用具有化学不均匀表面的固体射弹和通过液体表面顶部的顺应性固体膜来修改。这些科学努力整合了教育活动,通过讲座、课堂流程控制实验、指导科学博览会项目和教师研究参与研讨会,让当地高中生和教育工作者参与科学过程。动态三相接触耦合物理的表征软固体线条还处于起步阶段。这项研究旨在探索通过材料顺应性和表面处理改变多相界面的流体流动。实验和理论将用于理解包含上述被动流动调节器的射流稳定性的物理原理。对自由流液体射流中的初始扰动及其抑制的新理解将为可变形喷嘴的线性射流稳定性理论的适应提供信息。用顺应介质对自由液体表面的改性以及具有异质边界的固体射弹的改变将为进入水中的车辆在中等韦伯数下产生新的理论处理。因此,空腔产生和塌陷的条件将被重新定义,并且非轴对称空腔产生升力的极限将被探索。实验技术包括用于捕捉流动特征的高速摄像、用于阐明运动学的数字跟踪、图像表面的显微镜以及用于对本研究中使用的固体表面进行化学表征的 X 射线光电子能谱。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并被视为值得通过使用基金会的智力优点和更广泛的影响审查标准进行评估来支持。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Water entry dynamics of spheres with heterogeneous wetting properties
  • DOI:
    10.1103/physrevfluids.6.044003
  • 发表时间:
    2021-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    D. Watson;Joshua M. Bom;Madison P. Weinberg;Chris J. Souchik;Andrew K. Dickerson
  • 通讯作者:
    D. Watson;Joshua M. Bom;Madison P. Weinberg;Chris J. Souchik;Andrew K. Dickerson
Drop impact onto pine needle fibers with non-circular cross section
  • DOI:
    10.1063/5.0019310
  • 发表时间:
    2020-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Amy P. Lebanoff;Andrew K. Dickerson
  • 通讯作者:
    Amy P. Lebanoff;Andrew K. Dickerson
Predictive modelling of drop ejection from damped, dampened wings by machine learning
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  • DOI:
    10.1098/rspa.2020.0467
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Alam, MD Erfanul;Wu, Dazhong;Dickerson, Andrew K.
  • 通讯作者:
    Dickerson, Andrew K.
Sessile liquid drops damp vibrating structures
  • DOI:
    10.1063/5.0055382
  • 发表时间:
    2021-06-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Alam, Md Erfanul;Dickerson, Andrew K.
  • 通讯作者:
    Dickerson, Andrew K.
Predictive modeling of drop impact force on concave targets
  • DOI:
    10.1063/5.0116795
  • 发表时间:
    2022-10-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Dickerson,Andrew K.;Alam,M. D. Erfanul;Turgut,Damla
  • 通讯作者:
    Turgut,Damla
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    C. Browne;Andrew Dickerson
  • 通讯作者:
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