We study the three-dimensional dynamics of a spherical microswimmer in cylindrical Poiseuille flow which can be mapped onto a Hamiltonian system. Swinging and tumbling trajectories are identified. In 2D they are equivalent to oscillating and circling solutions of a mathematical pendulum. Hydrodynamic interactions between the swimmer and confining channel walls lead to dissipative dynamics and result in stable trajectories, different for pullers and pushers. We demonstrate this behavior in the dipole approximation of the swimmer and with simulations using the method of multi-particle collision dynamics.
Asymmetric pattern formation in microswimmer suspensions induced by orienting fields
本文研究了定向外场对微型游泳器悬浮液中斑图形成，特别是中尺度湍流的影响。为此，我们应用了一种可以从微观微游泳模型中推导出来的流体动力学理论[Phys. Rev. E 97，022613（2018）]。该理论结合了一个动态方程的极性序参量与一个修改的斯托克斯方程的溶剂流动。在这里，我们通过包括对游泳者施加对准扭矩的外部场来扩展模型（模仿化学轴、光轴、磁轴或重力轴中的情况）。与无场情况相比，外场打破了涡旋动力学的旋转对称性，而导致强烈的非对称性，旅行条纹图案，如数值解和线性稳定性分析所示。我们进一步分析了新兴的结构，使用一个简化的模型，其中只涉及一个（有效的）microswimmer速度场。该模型在分析上明显更容易处理，但仍然保留了非对称斑图形成的主要特征。我们观察到一个潜在的过渡之间的方涡晶格和旅行条纹图案。这些结构可以很好地描述在弱非线性分析的框架内，提供的非线性平流的强度是足够弱的。
Derivation of a hydrodynamic theory for mesoscale dynamics in microswimmer suspensions
在本文中，我们系统地推导出一个四阶连续理论，能够再现中尺度湍流的三维悬浮液的微型游泳者。我们从过阻尼Langevin方程的通用微观模型（推或拉），其中包括流体动力学的相互作用，小的长度尺度（相邻的游泳者的极性对齐）和大的长度尺度，溶剂流相互作用的序参量字段。流场是由Stokes方程确定的，并由应力张量的近似值补充。除了流体动力学相互作用，我们还允许从排除体积效应产生的双对相互作用。这里的结果大大扩展和推广了早期的发现[Phys. Rev. E 94，020601（R）（2016）]，其中我们推导了二维流体动力学理论。从相应的平均场Fokker-Planck方程结合自洽封闭方案，我们推导出非线性场方程的极和极序参量，涉及梯度项的四阶。我们发现，有效的微游泳动力学依赖于溶剂流动和取向顺序之间的耦合。对于非常弱的耦合对应于一个高粘度的悬浮液，中尺度湍流的动力学可以描述一个简化的模型，只包含一个有效的microswimmer速度。
