CAREER: Quantification of the kinetic energy of particles in complex flows using magnetic particle tracking

职业:使用磁粒子跟踪量化复杂流中粒子的动能

基本信息

  • 批准号:
    2403832
  • 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:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-10-01 至 2025-01-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Particulate flow is ubiquitous in nature and many aspects of human life. For example, sandstorms have severe environmental and economic consequences, and the efficiency of a fluidized particle reactor determines the production rates in many chemical and food industries. A critical issue is that particles in nature are usually non-spherical and may behave differently from theoretical predictions as existing theories are largely based on spherical particle models. Furthermore, the problem is challenging because dense particulate flows are usually opaque and cannot be measured with advanced optical flow diagnostic technologies. The objective of this experimental project is to develop a novel magnetic-based technology to measure the particle shape and motion and provide a better understanding of complex particulate flows. This project will also encompass significant educational and outreach activities, including museum exhibitions and visits to under-represented minority communities. The proposed research aims to quantify the kinetic energy and shape effect of non-spherical particles in complex flows using magnetic-based particle tracking. Magnetic fields can penetrate opaque materials, thus the proposed technique works with particles of any shape or concentration. For higher accuracy, a highly-accurate magnetometry based on photoluminescence of quantum bits will be employed to reconstruct the motion of multiple magnetic particles in a shear flow. The Lagrangian trajectory orientation and angular velocity of the particle will be obtained with this technique. The results will be used to test the hypothesis that a large particle aspect ratio leads to energy equal partition, to measure the influence of sphericity, and to examine the energy transfer among translational and rotational degrees of freedom. Finally, this project contributes to experimental fluid dynamics by developing a non-optical particle tracking technology that can be used in a variety of multiphase flow studies.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.
颗粒流本质和人类生命的许多方面无处不在。例如,沙尘暴具有严重的环境和经济后果,流化粒子反应堆的效率决定了许多化学和食品工业的生产率。一个关键的问题是,自然界中的粒子通常是非球形的,并且可能与理论预测有所不同,因为现有理论主要基于球形粒子模型。此外,问题是具有挑战性的,因为密集的颗粒流通常是不透明的,不能用高级光流诊断技术来测量。该实验项目的目的是开发一种新型的基于磁性的技术来测量粒子形状和运动,并更好地理解复杂的颗粒流。该项目还将涵盖重大的教育和外展活动,包括博物馆展览和参观代表不足的少数民族社区。拟议的研究旨在使用磁性粒子跟踪来量化复杂流中非球形颗粒的动能和形状效应。磁场可以穿透不透明的材料,因此所提出的技术与任何形状或浓度的颗粒一起起作用。为了提高精度,将采用基于量子位的光致发光的高度精确磁力测定法来重建剪切流中多个磁性颗粒的运动。该技术将获得粒子的拉格朗日轨迹方向和角速度。结果将用于检验以下假设:大颗粒纵横比会导致能量平等分配,以测量球形的影响并检查自由的平移和旋转程度之间的能量转移。最后,该项目通过开发可用于各种多相流研究的非光学粒子跟踪技术来促进实验流体动力学。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优点评估来支持的,并具有更广泛的影响。

项目成果

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