On the Propulsion of a Rigid Body in a Viscous Liquid by Time-Periodic Force with a Zero Average
本文通过分析和数值方法研究粘性流体中刚体在零均值周期力下的推进，证明二阶推进条件，并发现前后对称物体需更高阶推进，数值验证了该现象。
2025-10-23 math.AP physics.flu-dyn
Viscous Marangoni propulsion
Marangoni推进是一种运动形式，其中位于液体表面的物体不对称释放表面活性剂导致其定向运动。本文提出了一种粘性区Marangoni推进的数学模型。我们考虑的情况下，一个薄的刚性圆盘放置在表面的粘性流体，其周边有一个规定的浓度的不溶性表面活性剂，其表面的其余部分是不可渗透的。假设表面张力和表面活性剂浓度之间的线性状态方程，我们推导出解析的表面活性剂，速度和压力场的渐近极限低毛细管，Peclet和雷诺数。然后，我们利用这些结果来计算的Marangoni推进速度的磁盘。忽略来自Marangoni流的应力贡献被认为是将推进速度高估了50%。
2012-12-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Purely viscous acoustic propulsion of bimetallic rods
合成的微泳者提供了细胞运动的模型，它们的可调性使它们成为生物医学应用的有前途的候选者。在这里，我们测量的声推进的微棒，当被困在一个MHz的声谐振器的节平面，游泳速度高达每秒300微米。虽然过去的声流模型预测的速度比我们的测量值小一个数量级以上，但我们证明了杆的声运动是由粘性的非互易机制驱动的，该机制依赖于类似于游泳细胞所使用的形状各向异性，并且没有可调参数即可重现我们的数据。
2021-09-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Self-propulsion near the onset of Marangoni instability of deformable active droplets
实验观察表明，化学活性液滴悬浮在表面活性剂负载的流体可以自发地自我推进。这种运动的发病是由于一个破膜Marangoni不稳定性的非线性平流耦合的表面活性剂的分布所产生的流体动力学流动的Marangoni应力在液滴的表面。在这里，我们使用弱非线性分析来表征不稳定阈值附近的自推进和液滴的变形能力的影响。我们报告说，在附近的阈值，可变形性增强自推进的粘性液滴，但阻碍推进的下降，大致比周围的流体粘度低。我们的渐近进一步揭示，液滴变形可能会改变的类型的分叉导致对称性破缺：适度变形液滴的发病的自推进是跨临界和政权的稳定的自推进是稳定的，而在高度变形液滴的情况下，没有稳定的流量可以发现在本文中考虑的渐近极限表明分叉是亚临界的。
2018-10-09 physics.flu-dyn
Propulsion via flexible flapping in granular media
自然界中的生物运动通常是通过柔性体与其周围介质之间的相互作用来实现的。与粘性流体相比，柔性体与颗粒介质的相互作用较少被理解，部分原因是其复杂的流变特性。在这项工作中，我们探讨了灵活性对颗粒推进的影响，考虑一个简单的力学模型，其中刚性杆连接到扭转弹簧，是根据位移驱动使用颗粒阻力理论。通过一个相结合的数值和渐近调查，我们描述了这样一个灵活的挡板的驱动振幅和弹簧刚度的关系，并比较这些动态与粘性流体中观察到的推进动力学。此外，我们证明了最大可能的推进力可以在稳定的推进极限与有限的弹簧刚度和大的驱动振幅。这些结果可能适用于开发的合成机车系统，利用灵活性，通过复杂的陆地媒体移动。
2017-03-24 physics.flu-dyn
Propulsion and Mixing Generated by the Digitized Gait of Caenorhabditis elegans
线虫已经进化到在高粘性环境中游泳。模仿线虫运动功能的人工机制可以是有效的粘性泵。通过引入往复摆动刀片，实验模拟秀丽隐杆线虫头段的运动。我们表明，生物启发叶片的运动不仅诱导类似的蠕虫的流动结构，但也混合周围的流体通过产生循环流。当被限制在两个平行的壁之间时，叶片引起通过闭合回路的稳定的Poiffille流。泵送效率与蠕虫的游泳效率相当。如果植入密封腔室并远程驱动，叶片可以为聚合物流冷却的微处理器和微流体装置提供泵送和混合功能。
2019-02-06 physics.flu-dyn
Propulsion by stiff elastic filaments in viscous fluids
在自然界的微观世界中，在粘性流体中运动的柔性细丝是普遍存在的。例如，细菌和精子的游动以及器官水平的重要生理功能，如纤毛诱导的肺中粘液运动，或单个细胞水平的活动，如肌动蛋白丝或微管，都使用在粘性流体中移动的柔性丝。作为流体-结构相互作用的结果，在这种移动的柔性细丝的动力学中可能出现各种非线性现象。在本文中，我们推导出所需的数学工具，研究被动驱动推进的渐近极限刚性细丝。在刚性极限中的运动导致流体动力学载荷，其使灯丝变形并影响灯丝推进。我们首先推导出一般的数学公式，然后将其应用到螺旋丝的情况下，相关的游泳的鞭毛细菌和人工，磁驱动电机的运输的情况。我们发现，作为灵活性的结果，螺旋丝是拉伸或压缩（符合以前的研究），其轴也弯曲，一个新的结果，我们解释物理。然后，我们探索和解释的扰动推进速度的依赖性，由于变形的相关无量纲的动力学和几何参数。
2019-04-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Designing optimal elastic filaments for viscous propulsion
本文通过泛函优化和伴随变分法推导出弹性细丝沿长度方向的最优弯曲刚度分布，以最大化粘性推进力，发现最优设计为基部硬、远端软，为人工微游泳器设计提供理论指导。
2025-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Tank-treading as a means of propulsion in viscous shear flows
使用坦克踩踏作为一种手段的推进microswimmers在粘性剪切流被考虑到exam.We讨论的可能性，囊泡能够控制漂移在外部剪切流，通过局部改变其自身膜的弯曲刚度。通过准球形极限的解析计算，确定了在外部流动中的坦克踩踏囊泡的静止形状和取向，在膜不均匀性中工作到最低阶。膜的不均匀性在形状演化方程中作为额外的力项起作用，其可用于平衡流体动力学应力的影响，从而允许囊泡呈现否则将被禁止的形状和取向。囊泡的形状和方向所需的横向迁移的流动，连同弯曲刚度的配置文件，将导致这样的形状和方向，被确定。一个简单的模型，其中一个囊泡是能够向上或向下迁移的浓度场的梯度，通过硬化或软化其膜，在响应罐踩踏过程中所经历的浓度水平的变化。
2011-07-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Colloidal bubble propulsion mediated through viscous flows
本研究针对气泡驱动催化胶体推进缺乏通用理论的问题，建立了扩散-流体力学联合理论，揭示了气泡生长的分岔机制与流场规律，指出部分实验观测特征源于装置特性而非基本推进物理。
2024-05-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Propulsion Mechanisms for Leidenfrost Solids on Ratchets
我们提出了一个模型的推进莱顿弗罗斯特固体棘轮的基础上的粘性阻力由于蒸发蒸汽的流动。该模型假设压力驱动的流动由纳维-斯托克斯方程描述，并主要研究润滑近似。推导出推进力与棘轮表面几何参数和升华固体性质的关系的标度表达式。我们表明，该模型的结果以及标度律与实验相比，并能够再现实验观察到的缩放与固体的大小。
2013-02-18 physics.flu-dyn
Nature-inspired microfluidic propulsion using magnetic actuation
在这项工作中，我们模仿自然纤毛的有效推进机制，通过磁致动薄膜在一个循环，但非往复的方式。通过同时求解弹性动力学方程、静磁场方程和流体力学方程，我们证明了流体推进量与纤毛扫过的面积成正比。通过利用薄膜磁化和外加磁场之间复杂的相互作用，我们能够产生明显的不对称性和相关的流动。我们描绘了系统的功能响应的三个无量纲参数，捕捉弹性，惯性，粘性和磁力的相对贡献。
2009-02-16 physics.flu-dyn
Elasto-Hydrodynamic Propulsion of a Magnetically Actuated Filament
Clark University（克拉克大学）；Universidade Federal da Bahia（巴伊阿联邦大学）
研究粘性流体中振荡磁场驱动的细长弹性细丝的低雷诺数推进，采用耦合欧拉-伯努利梁力学与阻力理论的弹性-流体动力学框架，发现游泳速度在细丝长度与弹性-流体动力学长度同量级时最大。
2026-07-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Viscous Instabilities in Transversely Strained Channel Flows
本文研究了叠加展向压力梯度的三维边界层的线性稳定性，通过引入坐标变换推导出稳定性指标的闭合形式，发现临界Reynolds数随横向流动强度单调递减，并揭示了最大瞬态增长随展向压差二次增加且由lift-up效应驱动。
2024-06-27 math-ph math.MP physics.flu-dyn
On the Propulsion of a Rigid Body in a Viscous Liquid Under the Action of a Time-Periodic Force
研究刚体在粘性液体中受时间周期力作用时的推进条件，证明在振幅足够小且平均力非零时，非零净运动当且仅当满足特定条件，且阻止旋转时总能实现推进。
2024-10-09 math.AP physics.flu-dyn
Self-propulsion of chemically-active droplets
微观活性液滴能够在粘性流中自主游动：这种令人困惑的特征源于溶质通过表面反应或其自发溶解与周围流体的交换，以及由这些溶质梯度产生的界面流。与不对称活性胶体相反，这些各向同性液滴通过利用溶质输运与自生Marangoni流的非线性耦合自发地游泳，这也是向更复杂的个体和集体动力学的二次过渡的原因。由于其简单的设计和对物理化学信号的敏感性，它们是迷人的物理学家，化学家，生物学家和流体动力学家，分析活性物质系统中的粘性自推进和集体动力学，开发合成细胞模型或执行目标生物医学或工程应用。我在这里回顾了这个快速发展的领域的最新和重要的发展，专注于这些intringinging液滴的数学和物理建模，连同其实验设计和表征。
2022-04-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Steady state propulsion of isotropic active colloids along a wall
活性液滴发射/吸收化学溶质，其浓度梯度导致界面流驱动其自身的运输和液滴的推进。这种非线性耦合使得活性液滴能够实现定向自推进，尽管它们是各向同性的，如果对流扩散溶质传输的比率，即佩克莱数Pe，大于有限的临界阈值。在大多数实验情况下，主动液滴是非中性浮力的，因此沿着刚性表面游动;然而，它们的非线性运动的理论描述几乎完全集中在无界域上，以规避几何复杂性。为了克服这一认识上的差距，我们研究了各向同性泳动胶体沿刚性壁推进的自发出现和非线性饱和，它被恒定的外力（例如，重力）。这种泳动颗粒模型在这里被认为是一个粘性的活性液滴的限制情况。我们发现，对于温和的Pe，粒子运动和相关的化学运输减少了化学诱导的壁排斥，从而导致粒子游泳逐步接近壁作为Pe的增加。远离阻碍自推进，这种减少在颗粒壁分离是伴随着壁诱导的有效重排的溶质浓度梯度驱动的颗粒，从而增加其游泳速度。
2022-09-15 physics.flu-dyn
Propulsion of a three-sphere micro-robot in a porous medium
Santa Clara University（圣克拉拉大学）；University of Hong Kong（香港大学）；The Open University（开放大学）
研究三球微机器人在多孔介质中的推进性能，发现其速度和效率因多孔介质的不渗透性而显著降低。
2024-02-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Arbitrary axisymmetric steady streaming: Flow, force and propulsion
在微观尺度上诱导混合的一种成熟的方法是利用稳定流动产生的流动。定常流动是一种经典的流体动力学现象，其中，在本体中或沿着边界的时间周期性强迫通过惯性增强以引起非零净流。基于简单几何强迫的经典工作，并由弹性胶囊和气泡的复杂形状振荡激发，我们开发了数学框架来量化具有任意轴对称时间周期边界条件的球体的稳态流。我们计算流动渐近小振幅振荡的边界中的限制，其中粘性渗透长度尺度远小于身体。在这种情况下，流动具有边界层结构，并且通过渐近匹配来求解流体运动。我们的结果，在无滑移边界条件的情况下，并扩展到包括振动自由表面的运动，恢复经典的工作作为特殊情况。我们说明了我们的解决方案给出的流结构，并提出了一个小规模的力生成和合成运动的应用我们的结果。
2015-11-30 physics.flu-dyn
Hydrodynamics of self-propulsion near a boundary: predictions and accuracy of far-field approximations
自推进生物体或合成装置在粘性流体中的游泳轨迹可以通过与附近边界的流体动力学相互作用而改变。我们探讨了一个多极描述的游泳机构，并提供了一个总体框架，研究流体介导的修改游泳轨迹。远场描述的有效性探讨了不同的几何形状和推进活动的模型游泳者的选择与完整的数值模拟比较。简化模型，然后用于提供简单而准确的预测流体动力学产生的壁吸引力和俯仰动力学，并可能有助于解释一些实验结果。
2012-11-29 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Magnetically-actuated artificial cilia for microfluidic propulsion
天然纤毛是毛发状的微管结构，能够通过不对称运动在低雷诺数下移动流体。在本文中，我们遵循仿生的方法来设计人工纤毛内衬微流体通道的内表面的目标，以推动流体。人造纤毛由填充有磁性纳米颗粒的聚合物膜组成。通过调节外部磁场来产生非对称、非往复运动。为了获得纤毛局部的磁场和相关磁化强度，我们求解麦克斯韦方程组，从中可以推导出磁矩。为了获得纤毛运动，我们解决了运动的动力学方程，然后完全耦合到描述纤毛周围的流体流动的流体动力学方程。通过这样做，我们表明，通过适当调整所施加的磁场，可以产生不对称的纤毛运动，能够推动微通道中的流体。结果是在三个无量纲参数，充分描绘的不对称性和周期时间作为弹性，惯性，磁性和粘性流体力的相对贡献的函数。
2009-01-23 physics.flu-dyn
Characteristics of undulatory locomotion in granular media
波动运动在自然界中普遍存在，并在不同的介质中观察到，从生物液体中有鞭毛的微生物的游泳，到陆地上蛇的滑行，或沙鱼蜥蜴在沙子中的运动。尽管波动模式相似，但游泳特性取决于不同介质的流变特性。运动的颗粒状材料的分析是相对不发达的流体相比，部分是由于缺乏有效的力模型，但最近的颗粒状介质中的阻力理论已被提出，并显示出有用的研究运动的沙泳蜥蜴。在这里，我们采用所提出的模型来研究游泳特性的细长细丝，有限和无限长，起伏在颗粒介质中，并比较结果与游泳粘性流体。特别是，我们的特点漂移和俯仰推进速度和效率方面的影响，为有限的正弦游泳。我们还发现，类似于莱特希尔的结果，在粘性流体中使用阻力理论，在颗粒介质中，在给定的功耗下，推进速度的最佳波形是游泳者。这些结果补充了我们对波动运动的理解，并为颗粒介质中运动系统的有效设计提供了见解。
2015-11-05 physics.flu-dyn
Instability and self-propulsion of active droplets along a wall
活性液滴可以在粘性流中自发游动，这是由于Marangoni和/或由该溶质的不均匀分布产生的泳动流在其表面产生的化学溶质的非线性对流传输，只要对流与扩散溶质传输的比率或Péclet数$\mbox{Pe}$足够大。由于它们的净浮力，活性液滴通常在距刚性边界小的有限距离$d$处演化。然而，现有的模型系统地集中在无界流动，忽略了壁面接近的效果上的推进机制的非线性的本质。与此相反，我们在这里获得一个关键的洞察力，通过分析他们的稳定性，非轴对称扰动和由此产生的自推进沿壁的壁距离$d$上没有限制的假设。根据$d$和$\mbox{Pe}$识别偶极或四极轴对称（悬浮）基态。也许与直觉相反，观察到下降壁分离$d$的减少使这些模式不稳定并促进自推进，这是由于驱动运动的化学梯度的限制诱导的局部化。此外，四极状态是更不稳定的，比他们的偶极同行由于再分配的化学扰动的基流，有利于出现更强的滑移强迫的下降表面。
2021-11-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Unsteady Propulsion by an Intermittent Swimming Gait
无粘性计算结果的自推进游泳者建模为一个虚拟的身体结合了二维水翼俯仰间歇约其领先优势。Lighthill（1971）最初提出，这种爆发和滑行行为可以利用粘性骨-Lighthill边界层变薄机制，在游泳过程中节省鱼类能量。在这里，一个额外的无粘性加里克机制被发现，允许游泳者控制他们的增加质量推力产生的力量，他们的循环阻力诱导力的比例，通过减少他们的占空比，DC，运动。这种机制可以节省间歇性游泳者多达60%的能量，它需要以相同的速度连续游泳。无粘能量节省示出增加与运动的幅度增加，增加与减少莱特希尔数，李，并切换到一个充满活力的成本以上的连续游泳足够低的DC。间歇性的游泳者被观察到脱落四个漩涡，形成成组，是自相似的DC每个周期。此外，以前的推力和功率缩放定律的连续自我推进游泳进一步推广到包括间歇性游泳。关键是，通过平均推力和功率系数，只有在爆发期间，然后间歇性的问题可以转化为一个连续的。此外，间歇推力和功率标度关系扩展到预测的平均速度和运输的游泳者的成本。通过调整几个系数与少数模拟这些自我推进的关系可以成为预测。在目前的研究中，平均速度和运输成本的预测范围内的3%和18%的满量程值，通过使用这些关系。
2017-04-25 physics.flu-dyn
Sprinkler Head Revisited: Momentum, Forces, and Flows in Machian Propulsion
从1883年恩斯特·马赫开始，许多实验者都报告说，如果一个装置交替地吸入和排出周围的流体，那么它的运动方向就好像只是排出流体一样。这种令人惊讶的现象，我们称之为“马赫推进”，可以用动量守恒来解释：流出物有效地将动量从设备转移到周围介质中，而流入物只能通过粘性扩散来实现。然而，以前的许多理论讨论都集中在流出和流入形状的差异上。基于守恒的论证是直接而完整的，而对流动形状的分析则更为微妙，首先需要守恒。我们的讨论涵盖了三种通常被分开处理的设备：反向喷头（也称为反向喷头或费曼喷头），推杆-推杆船和吸气悬臂。然后，我们简要地提到一些应用马赫推进，从微型工程到天体物理学。
2011-06-27 physics.ed-ph physics.flu-dyn physics.hist-ph
Jet propulsion without inertia
浸入高粘性流体中的物体可以通过其表面的孔隙吸入和排出流体而移动。我们认为这种机制的喷射推进没有惯性的情况下，球体，并推导出游泳速度和水动力效率。基本的例子，并提供精确的轴对称解决方案的球形，长椭球形，扁球体形状。在每种情况下，完全和部分多孔（即喷射）的表面被认为是最佳的喷射流剖面在表面上最大限度地提高流体动力学效率计算确定。使用这种喷射推进的球体可以实现的最大效率为12.5%，这是对零雷诺数下传统的基于鞭毛的运动装置的显著改进。与依赖于在运动方向上呈现小的截面的其它游动机构不同，喷射体在低雷诺数下的效率随着体变得更扁而增加，并且在平板沿其对称轴游动的情况下限制为约162%。我们的研究结果进行了讨论，在许多蓝藻中发生的粘液挤压机制。
2010-05-04 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimming Speeds of Waving Cylindrical Tails in Viscous Fluids with Resistance
许多微生物在高度异质的环境中游动，障碍物如纤维或聚合物。为了更好地了解这种环境如何影响微生物的游泳，我们研究了一个圆柱体或细丝在流体中的推进与一个稀疏的，固定的网络的障碍物建模的Brinkman方程。通过研究无限长圆柱体传播的横向或螺旋位移波，研究了游泳速度的数学分析。对于固定的弯曲运动学，我们发现，游泳的速度提高，由于从纤维增加的阻力。此外，我们检查的工作和扭矩施加在气缸上的阻力。当阻力降为零时，无限长圆柱体在斯托克斯流体中的力矩、游动速度和功的解被恢复。最后，我们比较了渐近解与正则化Brinkmanlets方法的数值结果。有限长细丝的游动速度随着其长度的减小而减小，并且平面弯曲引起角速度，该角速度随着增加的阻力而线性增加。渐近分析和计算之间的比较给出了洞察力的长丝的长度，渗透性，和圆柱的厚度在平面和螺旋游泳者的整体性能方面的效果
2015-12-24 physics.flu-dyn
Diffusiophoretic propulsion of an isotropic active colloidal particle near a finite-sized disk embedded in a planar fluid-fluid interface
空间对称性破缺是泳动活性粒子在低雷诺数下游动的必要条件。在微观尺度上游泳的基本先决条件是通过活性颗粒表面的化学图案化或替代地通过利用几何不对称性来诱导化学梯度并实现自推进来实现的。在本手稿中，采用远场分析模型来量化的领先秩序的贡献，诱导泳动速度的化学均匀的各向同性活性胶体附近的圆形形状的有限大小的磁盘上分离两个不混溶的粘性不可压缩的牛顿流体的界面上休息。为此，电泳问题的解决方案制定为一个混合边值问题，随后转化为一个系统的对偶积分方程的内部和外部域。取决于不同的参与粘度和溶质溶解度的比率，泳动性和化学活性的符号，以及颗粒-界面距离与盘的半径的比率，各向同性活性颗粒被发现从界面排斥，吸引到它，或达到稳定的悬停状态，并在界面附近保持不动。我们的研究结果可能被证明是有用的控制和引导运动的自推进泳动活性粒子附近的水界面。
2021-09-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Steady translation of a chemically active viscous drop along a rigid wall
University of Birmingham（伯明翰大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；Ecole Polytechnique（巴黎综合理工学院）；Institut Polytechnique de Paris（巴黎理工学院）
本研究通过理论分析化学活性粘性液滴沿刚性壁面的平动，发现低粘度液滴更靠近壁面且游动更快，并证明其速度对迁移率比依赖较弱，为扩散泳粒子模型的有效性提供了定量依据。
2026-10-08 physics.flu-dyn
Fluid-Induced Propulsion of Rigid Particles in Wormlike Micellar Solutions
在没有惯性的情况下，往复游泳者在粘性牛顿流体中没有净运动。在这里，我们调查的能力，一个驱动的粒子通过一个复杂的流体，拥有一个网络，使用跟踪方法和双折射成像平移。一个几何极性的粒子，一个一端有珠子的棒，在磁场的作用下旋转。将颗粒浸入蠕虫状胶束（WLM）溶液中，已知该溶液由于其微观结构的剪切诱导重塑而易于形成剪切带和其他局部结构。结果表明，该WLM解的非线性在一定条件下打破了时间反演的对称性，使人工“游泳者”能够推进。“我们发现三种状态取决于德博拉数（De）：在低De时朝向粒子珠端的净运动，在中间De时朝向粒子杆端的净运动，在高De时没有明显的推进力。在低De下，其中颗粒时间尺度比流体弛豫时间长，我们认为推进是由颗粒两端（珠和杆）之间的流体第一法向应力差的不平衡引起的。然而，在De~1处，我们使用双折射成像观察到在杆附近出现网络各向异性区域。这种各向异性表明胶束网络的排列，由于颗粒相对于流体的时间尺度较短，胶束网络被"锁定"。
2014-09-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Jet-driven viscous locomotion of confined thermoresponsive microgels
我们认为，在两个平面之间的有限空间中的周期性加热和冷却下的微尺寸，不对称涂层的温敏水凝胶带（微凝胶）的动力学。作为温度变化的结果，细长微凝胶的体积和形状发生变化，这导致弯曲和弹性松弛的重复循环，以及净运动。为仿生运动设计的小型设备需要利用在时间上不对称（非互易）的流动来逃避扇贝定理的约束并进行净运动。与其他生物细长游泳者不同，凝胶中心线的非往复弯曲不足以解释整体游泳运动。相反，我们表明，游泳的凝胶的结果，从流量的水周期性地发出（或进入）的凝胶本身由于其收缩（或膨胀）。相关的流动引起粘性应力，导致凝胶上的净推进力。我们推导出一个理论模型，这个假设的喷气驱动推进，这导致我们的实验非常吻合。
2022-02-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Modeling complex motility patterns for autophoretic microswimmers
Indian Institute of Technology Hyderabad（印度海得拉巴理工学院）
本研究提出了一种新的数值框架，用于建模各向同性的自催化微游泳器，通过自生成的化学梯度实现推进，无需施加几何或化学各向异性，有效捕捉非线性输运和多粒子相互作用。
2026-08-12 physics.flu-dyn
Undulatory locomotion of finite filaments: lessons from C. elegans
波动游动是许多小尺度生物包括各种单细胞真核生物和线虫广泛采用的推进策略。在这项工作中，我们报告了一个全面的研究波动运动的一个有限的细丝使用（i）近似阻力理论（RFT）假设的本地性质的细丝和周围的粘性液体之间的流体动力学相互作用，和（ii）粒子为基础的数值计算，考虑到内细丝的流体动力学相互作用。使用传播正弦波形的普遍存在的模型，我们确定RFT的适用性的限制，并确定最佳的推进步态方面（i）游泳距离每周期的波动和（ii）流体动力推进效率。在基于粒子的计算中，在有限波长处最大化流体动力学效率的最佳游泳步态的发生偏离RFT的预测。为了比较由正弦波波动提供动力的模型游泳者与生物波动游泳者，我们采用基于粒子的方法来研究模式生物线虫秀丽隐杆线虫的运动，使用从实验中提取的游泳步态。分析结果表明，尽管波动的幅度和波数与表现最好的正弦游泳运动员相似，但C。elegans在排量和流体动力效率方面都优于后者。与其他波动微生物的进一步比较表明，许多采用波形的特征类似于最佳模型游泳者，但真正的游泳者仍然设法击败表现最好的正弦波游泳者在每个周期覆盖的距离。总的来说，我们的结果强调了进一步波形优化的重要性，因为C。线虫和其他生物体明显偏离简单的正弦波。
2013-07-01 physics.flu-dyn
Dumbbell micro-robot driven by flow oscillations
本文研究了浸没在粘性流体中的哑铃型微机器人的自推进问题。微机器人由两个刚性球珠连接杆或弹簧;杆/弹簧的长度是周期性变化的。每个球体的恒定密度不同于流体的密度，而整个微机器人具有中性浮力。通过流体的刚体振荡产生有效的振荡重力场。计算结果表明，该微机器人同时进行平移和旋转运动。利用一个包含两个定时方法和一个特殊极限的渐近过程，我们得到了平均自推进速度和平均角速度的解析表达式。零角速度的重要特殊情况代表具有恒定速度的直线自推进。
2012-12-08 cond-mat.soft math-ph math.MP
Flow induced by the rotation of two circular cylinders in a viscous fluid
本文用解析和数值方法研究粘性流体中两平行圆筒旋转产生的低雷诺数流动，分别分析反向和同向旋转，确定力与扭矩并验证理论，揭示惯性效应差异。
2024-02-06 physics.flu-dyn
Propulsion by passive filaments and active flagella near boundaries
限制和壁效应是影响游泳微生物的运动学和推进特性的已知因素。当固体以恒定速度被拖曳通过粘性流体时，壁的存在增加了流体阻力，因此保持速度所需的净力必须增加。相反，最近的光学捕获实验表明，人类精子产生的推进力会因边界的存在而降低。在这里，我们使用一系列简单的模型来解析阐明被动驱动的细丝和模型鞭毛的固体边界的推进效果。对于被动的柔性长丝定期致动在一端，壁的存在下示出的位移驱动的致动的情况下，增加由长丝产生的推进力，而它减少了力驱动的致动的情况下的力。在活性细丝作为真核生物鞭毛模型的情况下，我们证明了固体壁影响推进的方式不能先验地知道，而是鞭毛频率、波长、其材料特性、分子马达自组织产生振荡的方式的非平凡函数（规定的活动模型或自组织轴丝跳动模型），和边界条件实验应用于栓系鞭毛。特别是，我们表明，在某些情况下，由壁引起的流体摩擦力的增加可以导致鞭毛所表示的波形的变化，从而导致其推进力的减少。
2010-10-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Activity-induced propulsion of a vesicle
现代生物医学应用，如靶向药物递送，需要一种能够增强转运的递送系统，超越被动布朗扩散。在这项工作中，渗透机制的推进泡浸在粘性流体的建议。通过维持囊泡内的稳态溶质梯度，溶剂（例如，水）穿过半透膜，这又推动囊泡。我们开发了一个理论模型，这个囊泡溶质系统中的渗流描述的达西流。使用的斯托克斯流的互易定理，它示出，在囊泡的外表面处的渗流速度产生的推力，这是平衡的水动力阻力，使囊泡上没有净力。我们的特点的囊泡的运动有关的限制在囊泡内的溶质的浓度分布。只要存在浓度梯度，任何渗透溶质都能推动囊泡。在目前的工作中，我们提出了活性布朗粒子（ABPs）作为溶质。为了保持一个破环浓度梯度，我们认为ABPs与空间变化的游泳速度和ABPs与恒定的属性，但在定向场的影响下。特别是，它表明，在高活性的囊泡速度是$\boldsymbol{U}\sim [K_\perp /(η_e\ell_m) ]\int Π_0^\mathrm{swim} \boldsymbol{n} dΩ$，其中$Π_0^\mathrm{swim}$是游泳压力外的内部囊泡表面上的薄的积累边界层，$\boldsymbol{n}$是单位法向量的囊泡边界，$K_\perp$是膜渗透性，$η_e$是溶剂的粘度，和$\ell_m$是膜厚度。
2022-05-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Twist and turn. Elastohydrodynamics of microscale active fibres
本文介绍了微尺度活性纤维的弹性流体动力学建模，探讨了影响生物纤维推进模式的特征、理论框架及活性系统实例。
2024-10-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Magnetic Pillar Induced Poiseuille-like Flow in Microfluidic Channels with Viscous and Viscoelastic Fluids
本研究提出一种含磁性柱的微流控平台，模拟肺纤毛运动产生泊肃叶式流动，用于黏液纤毛清除的药物递送建模。
2025-04-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Wave simulation in 2D heterogeneous transversely isotropic porous media with fractional attenuation: a Cartesian grid approach
Uppsala University（乌普萨拉大学）
本文提出了一种二维各向异性Biot孔弹性波时域数值模型，采用动态渗透性模型描述孔隙中的粘性耗散，并通过扩散近似模型分析了Biot-JKD和Biot-DA模型的超几何性、能量衰减和色散特性。
2015-04-01 cs.NA math.NA physics.class-ph
Travelling waves are hydrodynamically optimal for long-wavelength flagella
游动的真核微生物，如精子、藻类和纤毛虫，利用称为鞭毛的细长附属物的行波状变形在粘性流体中自我推进。波是主要的，因为珀塞尔的扇贝定理排除了运动的时间可逆运动学。使用变分法的周期性的长波长模型的鞭毛游泳，我们表明，平面鞭毛运动学最大化的时间平均推进力为一个固定的能量耗散在周围的流体对应的所有时间的波以恒定的速度，潜在的弯曲的中心线，与推进总是在相反的方向上的波。
2020-11-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Fluid flow control with transformation media
我们介绍了一个新的概念，操纵流体流动周围的三维机构。受变换光学的启发，该概念基于坐标变换的数学思想，并利用可渗透流体流动的各向异性多孔介质进行物理实现。在两种情况下-放置在一个自由流动的流体或在一个充满流体的多孔介质中的一个不可渗透的对象-我们表明，该对象可以被涂上一个不均匀的，各向异性的渗透介质，如保存流动，将存在于没有该对象。建议的流体流动斗篷消除下游尾流和补偿粘性阻力，暗示我们在新的推进技术的可能性。
2011-09-05 physics.flu-dyn physics.optics
Force and torque-free helical tail robot to study low Reynolds number microorganism swimming
螺旋推进被许多微生物用于在粘性占主导地位的环境中游泳。它们的游泳动力学是比较好的理解，但详细的流场和驱动机制的研究仍然需要实现壁效应和流体动力学的相互作用。在这封信中，我们描述了一个自主游泳机器人与螺旋尾巴，在斯托克斯政权的发展。该装置使用一个基于电池的动力系统，带有一个微型电机，该电机将旋转速度施加到螺旋形尾部。速度、方向和激活由红外线遥控电子控制。由于机器人约5厘米长，我们使用高粘性流体来匹配雷诺数为$\text{Re} \lessapprox 0.1$。游泳速度的测量是针对一系列螺旋波长$λ$、头部几何形状和旋转速率$ω$进行的。我们提供了来自阻力理论的分析预测的实验测量的比较。这种无力和无扭矩的中性浮力游泳者比以前使用的设计更接近细菌的游泳策略，并为未来的应用提供了很大的潜力。
2021-11-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Flagellum Pumping Efficacy in Shear-Thinning Viscoelastic Fluids
该研究通过浸没边界模型参数化鞭毛马达、丝状体及流体黏弹性，发现剪切变稀程度对鞭毛泵送效率有双向影响：适度增强而强烈降低。
2024-11-11 physics.flu-dyn
Soft, slender and active structures in fluids: embedding Cosserat rods in vortex methods
本文提出一种混合欧拉-拉格朗日方法，将Cosserat杆理论与涡方法通过惩罚浸没边界技术耦合，用于直接模拟软纤维结构在粘性流体中的大变形与双向流固耦合，并通过基准测试及磁驱动、生物力学、自推进等多物理场景验证了求解器的性能。
2024-01-17 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Small-amplitude swimmers can self-propel faster in viscoelastic fluids
许多小型生物体利用其身体或附属物的行波状变形在粘性流体中自我推进。例如，小型线虫利用全身波动在土壤中移动，或精子利用鞭毛波在粘液中游动。当自推进发生在非牛顿流体中时，一个基本问题是运动是否会比在牛顿环境中更快或更慢。在这里，我们考虑的一般问题，游泳使用小振幅周期波的粘弹性流体所描述的经典Oldrophil-B本构关系。使用泰勒的游泳片模型，我们表明，如果所有的行波在同一方向上移动，运动速度的生物体系统地降低。然而，如果我们允许波在两个相反的方向上行进，我们表明，这可能会导致游泳速度的提高，这在物理上被解释为由于具有不同频率的波的非对称粘弹性阻尼。游泳方向的改变也是可能的。通过详细分析使用两个或三个行波游泳的情况下，我们表明，游泳可以提高在粘弹性流体中的所有德博拉数低于临界值，或三个波或更多，只有一个有限的，非零范围内的德博拉数，在这种情况下，需要在流体中的弹性有限的量，以增加游泳速度。
2015-06-30 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Undulatory swimming in viscoelastic fluids under confinement
该研究以秀丽隐杆线虫为模型，实验探究受限条件下粘弹性流体中的波动式游动行为，结合弹性细丝理论揭示了受限强度与魏森贝格数对应力响应及游动速度的调控机制。
2023-11-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamics of an odd active surfer in a chiral fluid
本研究探讨线性活性微型游泳者在具有奇数粘度的可压缩薄流体层上的低雷诺数流体动力学，发现单个游泳者沿圆形路径运动且半径与奇数粘度成反比，而游泳者对则展现出依赖推进机制和初始取向的丰富两体动力学。
2023-07-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
