Induced Diffusion of Tracers in a Bacterial Suspension: Theory and Experiments
本文从理论和实验上研究了低浓度细菌悬浮液中示踪剂的诱导扩散。考虑到在低雷诺数和使用动力学理论的方法,诱导扩散系数是成比例的游泳者浓度,他们的平均速度和一个系数$β$,实验观察到的。系数$β$的比例为示踪剂-游泳者截面乘以由单个散射产生的均方位移。位移取决于游泳者的推进力。考虑到简单的游泳者模型(作用于流体作为两个单极子或作为力偶极子),它表明,$β$增加游泳效率降低。接近固体表面的游泳效率降低,因此,诱导扩散增加。在漂浮条件下在Hele-Shaw细胞中对W野生型{ \em大肠杆菌}进行实验以测量在表面附近的示踪剂上的诱导扩散。悬浮液pH值的改变会在很大范围内改变游泳者的速度,从而可以精确地提取$β$系数。结果发现,固体表面修改诱导扩散:降低限制的细胞的高度,$β$增加了一个因素4。理论模型再现了这种增加,虽然有定量的差异,可能是由于简单的游泳者模型。
2012-10-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Spatio-temporal dynamics of dilute red blood cell suspensions in a microchannel flow at low Reynolds number
微流体技术通常用于红细胞(RBC)悬浮液的操作和流动介导的生物力学分析。为了提高微流控装置的性能,了解其中处理的悬浮液的动力学是至关重要的。我们报告的红细胞悬浮液在低雷诺数下流过一个典型的微通道的时空动力学的新方面。通过实验与稀释的红细胞悬浮液,我们发现一个偏离中心的两个峰值(OCTP)的细胞分布相反,通常报告的低惯性流的集中分布。这让人想起了由惯性效应引起的众所周知的“管状箍缩效应”。然而,在我们的实验中,考虑到惯性可以忽略不计的条件,需要对这种OCTP曲线进行另一种解释。我们使用浸没边界格子玻尔兹曼方法(IB-LBM)在真实尺寸的微流体尺寸中对RBC流动进行了并行模拟,证实了实验结果,并阐明了违反直觉的RBC模式的潜在机制。通过分析红细胞迁移和无细胞层(CFL)的发展在一个高纵横比的通道,我们表明,这样的分布是共同决定的空间衰减的流体动力升力和全球缺乏细胞分散在稀悬浮液。我们发现CFL的发展长度大于46和28水力直径的实验和模拟,分别超过典型的长度的微流体设计。我们的工作突出了稀释悬浮液中瞬时细胞分布的关键作用,如果不考虑这可能会对实验结果的可靠性产生负面影响。
2020-05-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Enhanced Activity Reduces the Duration of Intermittent Lévy Walks in Bacterial Turbulence
该研究通过实验揭示了细菌悬浮液中微观动力学与集体运动涌现的相关性,发现细菌在集体运动中经历弹道动力学、间歇性Lévy游走至随机涨落的转变,且增强的活性会缩短Lévy游走持续时间,微观动力学转变受流动有效活性的内在时间尺度控制。
2023-07-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Effects of viscoelasticity on shear-thickening in dilute suspensions in a viscoelastic fluid
我们调查以前未澄清的流体弹性剪切增稠稀悬浮液中的Oldrophil-B粘弹性流体使用一种新的直接数值模拟的基础上平滑的配置文件的方法。流体弹性由Weissenberg数Wi和粘度比$1-β=η_p/(η_s+η_p)$确定,粘度比测量聚合物应力和流动之间的耦合:$η_p$和$η_s$分别是聚合物和溶剂的粘度,随着$1-β$的增加,虽然应力与$β\to 1$极限相比没有显著变化,对不同$1-β$的颗粒周围的流动和构象动力学的分析表明,在大的$1-β$下,聚合物应力调节流动,$β$对聚合物应力发展的这种影响表明流体弹性和流动之间的复杂耦合,并且对于理解粘弹性介质中悬浮液中的流变学和流体动力学相互作用是必要的。
2020-12-17 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Breakdown of deterministic lateral displacement efficiency for non-dilute suspensions: a numerical study
我们研究了粒子体积分数对确定性横向位移(DLD)器件效率的影响。DLD是用于微流体应用的流行的被动分选技术。然而,它已被设计用于处理稀释的悬浮液,其对更致密的样品的效率并不为人所知。我们进行3D模拟的基础上浸入边界,格子玻尔兹曼和有限元方法来模拟不同DLD设备中的红细胞(RBC)的流动。我们量化的DLD效率在适当的“故障”概率和红细胞计数在指定的设备出口。我们的主要结果是,位移模式打破后,红细胞体积分数的增加,而锯齿形模式仍然相对稳健。这表明从致密的RBC背景中分离较大的颗粒(如白细胞)比从相同的背景中分离较小的颗粒(如血小板)更简单。观察到的击穿源于非确定性粒子碰撞干扰DLD器件的设计确定性。因此,我们假设稠密悬浮效应通常会妨碍基于确定性原理的设备中的有效颗粒分离。
2015-05-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Steady state extensional rheology of a dilute suspension of spheres in a dilute polymer solution
本文研究了球形颗粒在稀聚合物溶液中的稀悬浮液的稳态拉伸流变学。对于不含颗粒的聚合物流体,除了溶剂粘度之外,聚合物的拉伸粘度$μ^\text{poly}$对总的无量纲拉伸粘度$1+μ^\text{poly}$有贡献。当一个小体积分数,$ϕ$,球被添加到聚合物流体,应力被改变的爱因斯坦粘度为2.5 $ϕ$和两个额外的应力贡献:相互作用应力和颗粒诱导的聚合物应力(PIPS)。在较低的Deborah数(拉伸速率和聚合物松弛时间的乘积)$De\lesssim0.5$下,净相互作用应力为正,而在较大的$De$下为负。相对于未扰动流,单轴拉伸流中球体的存在产生了更大和更小的局部拉伸区域。在卷曲-拉伸转变($De<0.5$)之下,远离颗粒的聚合物处于卷曲状态,并且当它们被颗粒周围的大拉伸区域拉伸时,在颗粒下游形成拉伸聚合物的尾流。这导致正相互作用应力波(表面)和PIPS(拉伸尾流)。在卷曲-拉伸转变之外,远离颗粒的聚合物被高度拉伸,但当它们到达颗粒表面附近的低拉伸区域时,它们更接近卷曲状态。因此,负PIPS由塌陷的聚合物区域产生。当$De\gtrsim0.6$时,来自相互作用小应力和PIPS的拉伸粘度的变化分别为$ϕμ^\text{poly}$和大约-1.85 $ϕμ^\text{poly}$。在大的$De$下,聚合物拉伸粘度$μ^\text{poly}$大。因此,添加颗粒降低了悬浮液($(2.5…
2022-08-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Turbulent-like flows in quasi two-dimensional dense suspensions of motile colloids
本研究以Quincke不稳定性驱动的运动胶体为模型,实验探究准二维稠密悬浮液的低雷诺数类湍流流动,发现高波数能谱呈k⁻⁴标度,且存在动态结构记忆效应。
2025-02-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Shear-induced self-diffusivity in dilute suspensions with repulsive interactions
Indian Institute of Technology Madras(印度马德拉斯理工学院)
研究稀释非布朗运动悬浮液在简单剪切下的自扩散机制,发现弱中心排斥力打破对称性,产生不可逆横向位移,推导出扩散系数的梯度和环量分量的标度律。
2026-03-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrodynamic interactions and the diffusivity of spheroidal particles
直观地,孤立颗粒的扩散性不同于单分散悬浮液中的扩散性,在单分散悬浮液中,颗粒之间的流体动力学相互作用是起作用的。Batchelor(1976,1983)计算了流体动力学相互作用对球形颗粒稀悬浮液扩散率的影响,Russel等(1996)计算了流体动力学相互作用对球形颗粒稀悬浮液扩散率的影响。(1991)和Brady(1994)处理的非稀释(较高颗粒体积分数)悬浮液。虽然大多数颗粒缺乏完美的球形,但人们对流体动力学相互作用对球形颗粒扩散率的影响知之甚少,球形颗粒是可用于模拟各向异性颗粒的最简单形状。在这里,我们计算流体动力学相互作用对任意纵横比的球形颗粒的平移和旋转扩散系数的影响,在稀单分散悬浮液。流体动力学各向异性的起源是在诱导偶极诱导偶极相互作用的应力场中发现的。然而,在稀释极限下,各向异性效应仅为百分之几的水平。这些效应在广泛的环境中产生影响,从部分冷冻的胶体悬浮液到细胞质的动态。
2019-05-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Turning bacteria suspensions into a "superfluid"
在大范围的剪切速率和浓度下,测定了大肠杆菌活性悬浮液在简单剪切下的流变学响应。得到了表征剪切下细菌组织的有效粘度和时间尺度。在稀释状态下,我们提供了低剪切牛顿平台的证据,其特征是剪切粘度随着浓度的增加而降低。在半稀释状态下,对于特别活跃的细菌,悬浮液显示出“超流体”样的过渡,其中对剪切的粘性阻力消失,从而表明宏观上,由剪切组织的推动游泳者的活动能够完全克服由于粘性损失引起的耗散效应。
2015-03-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Flow-history-dependent orientational relaxation in dilute polydisperse colloidal rod suspensions
Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University(冲绳科学技术大学院大学);King Abdullah University of Science and Technology(阿卜杜拉国王科技大学);University of the Basque Country UPV/EHU(巴斯克地区大学);University of Cambridge(剑桥大学)
研究稀释非均质棒状胶体悬浮液在流体作用下的取向弛豫行为,揭示流史对取向弛豫动态的影响,建立基于旋转扩散系数的Péclet数模型解释实验数据。
2026-04-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hemorheology in dilute, semi-dilute and dense suspensions of red blood cells
我们提出了一个数值分析的红细胞(RBC)的悬浮液中的壁有界剪切流的流变学。流动被假定为几乎无惯性。RBC悬浮液,建模为双凹面胶囊,其膜遵循Skalak本构定律,模拟细胞质和血浆之间的粘度比的宽范围:$λ$ = 0.1-10,体积分数高达$ϕ$ = 0.41和不同的毛细管数($Ca$)。我们的数值计算结果表明,在低$Ca$的红细胞倾向于取向的剪切平面,并表现出所谓的滚动运动,一个稳定的模式,具有较高的特性粘度比所谓的翻滚运动。随着$Ca$的增加,模式从滚动运动转变为摆动运动。流体动力学相互作用(较高的体积分数)还允许RBC表现出翻滚或摆动运动,导致稀释和半稀释悬浮液的特性粘度下降。由于这种模式变化,将相对粘度建模为$ϕ$的多项式函数的常规方法不能简单地应用于低体积分数的RBC悬浮液中。然而,高体积分数的相对粘度可以很好地描述为有效体积分数的函数,有效体积分数由半径等于变形RBC的半中轴的球体的体积定义。我们发现,相对粘度成功地在单个非线性曲线上崩溃,与$λ$无关,但$Ca \geq$ 0.4的情况除外,其中拟合仅在低/中等体积分数的情况下有效,而在完全致密的情况下则失败悬浮液。
2019-05-01 physics.flu-dyn
Velocity measurements of a dilute particulate suspension over and through a porous medium model
我们的实验研究压力驱动的1%,3%和5%的稀释悬浮液的流动,并通过多孔介质模型。本文考虑了在很低雷诺数下,刚性和球形颗粒在牛顿流体中的非胶体、非布朗悬浮液的流动。多孔介质的模型由正方形阵列的杆定向在一个矩形通道中的流动。系统的实验,使用高空间分辨率的平面粒子图像测速(PIV)和指数匹配技术进行精确测量的速度测量非常稀释和溶剂流内部和顶部的多孔介质模型。我们发现,对于1%,3%,和5%的稀悬浮液的充分发展的速度分布内的自由流区域的精确解来自耦合的纳维-斯托克斯方程的自由流区域和体积平均的Navier-Stokes(VANS)方程的多孔介质。我们进一步分析了悬浮液-多孔介质界面处的速度和剪切速率,并与纯悬浮液的速度和剪切速率以及相关的解析解进行了比较。精确解用于定义计算关键值所需的参数,以分析多孔介质/流体相互作用,如达西速度、穿透深度和质量流率的分数比。溶剂、稀释混悬液和精确溶液之间的这些参数相当。然而,我们发现了溶剂和悬浮液之间的明显效应,当颗粒被引入到在多孔介质上移动和通过多孔介质的流动中时,其显示出不同的物理现象。
2020-05-10 physics.flu-dyn
Sedimentation dynamics of passive particles in dilute bacterial suspensions: emergence of bioconvection
本研究利用颗粒追踪方法探讨了游动大肠杆菌对被动胶体颗粒沉降动力学的影响,发现随细菌浓度增加存在两种状态转变,并揭示了生物对流的涌现特征及临界浓度预测机制。
2023-12-15 physics.flu-dyn
Extension of Moving Particle Simulation including rotational degrees of freedom for dilute fiber suspension
我们开发了一种新的移动粒子模拟(MPS)方法,以准确地再现纤维在剪切液体中漂浮的运动。在传统的MPS方案中,如果悬浮在液体中的纤维由MPS颗粒的一维阵列表示,则由于纤维-液体界面之间缺乏剪切应力差,因此其完全与流动方向对齐。为了解决这个问题,我们采用微极流体模型,引入旋转自由度的MPS颗粒。用显式MPS算法计算了液体和固体颗粒的平动和固体颗粒的转动。纤维被建模为一个阵列的微极流体粒子与拉伸和弯曲电位结合。单根刚性纤维的运动被模拟在两个移动固体壁之间产生的三维剪切流中。我们表明,所提出的方法是能够再现的纤维运动预测杰弗里的理论是从传统的MPS模拟不同。
2023-01-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Swimming suppresses correlations in dilute suspensions of pusher microorganisms
在没有外力的情况下,活性物质表现出各种形式的非平衡态,包括宏观稳态电流。这种状态通常太复杂,无法从第一原理建模,我们对它们物理学的理解严重依赖于极小模型。这些主要是在“干”活性物质的情况下研究的,其中粒子动力学由与周围环境的摩擦主导。对于属于“湿”活性物质的具有长程流体动力相互作用的系统,人们所知甚少。运动细菌的稀悬浮液,被建模为仅通过远程流体动力场相互作用的自推进偶极颗粒,可以说是这类活性系统中研究最多的例子。它们的现象学是公认的:在足够高的细菌密度下,会出现由许多个体生物组成的大规模漩涡和射流,形成通常称为细菌湍流的混沌状态。正如计算机模拟所揭示的那样,在集体运动的开始之下,悬浮液表现出来自偶极场的长程性质的个体微泳者之间非常强的相关性。在这里,我们证明了这种现象是由微型游泳者的极小模型捕获的。我们开发了一个动力学理论,超越了常用的平均场假设,并明确考虑到这种相关性。值得注意的是,这些可以在我们的理论中精确计算。我们计算了流体速度方差、空间和时间关联函数、流体速度谱和示踪粒子的增强扩散系数。我们发现,相关性被抑制粒子自推进,虽然平均场的行为是不恢复,即使在非常快的游泳的限制。
2020-09-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Pair Dispersion in Dilute Suspension of Active Swimmers
生物和人工微泳者的集合产生具有强烈非平衡波动的长程速度场,这导致嵌入颗粒(示踪剂)的扩散率急剧增加。虽然这种增强的扩散率可能指向流体的增强的混合,但混合效率的严格量化需要分析示踪剂的成对分散,而不是简单的单粒子扩散率。在这里,我们计算分析的相对扩散系数的被动示踪剂嵌入在一个稀释的悬浮液中的运行和翻滚microswimmer的尺度相关。虽然每个示踪剂受到强烈的波动,导致大的绝对扩散率,小规模的相对分散被抑制,由于流体速度的相关性,这是相关的,当示踪剂间的分离是低于游泳运动的持续长度。我们的研究结果表明,游泳方向的重新定位在生物混合中起着重要的作用,并应考虑在设计潜在的活性物质设备能够有效的流体混合在微尺度。
2019-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Helical locomotion in dilute suspensions
University of Pennsylvania(宾夕法尼亚大学);University of Cambridge(剑桥大学);Brown University(布朗大学)
为理解介质异质性对鞭毛细菌游动的影响,本研究通过实验和理论分析刚性螺旋在稀释悬浮液中的运动,发现颗粒浓度提升推进效率,开发理论方法解释机制,验证人工游泳者速度增超60%,为生物医学人工装置设计提供参考。
2024-11-26 physics.flu-dyn
Transition and self-sustained turbulence in dilute suspensions of finite-size particles
本文研究了低体积分数下有限尺寸颗粒悬浮液($Φ\approx 0.001$)槽道流向湍流的转变。在存在少量颗粒的情况下,与初始条件无关,维持湍流的临界雷诺数降低到$Re \approx 1675$,该值低于相应的单相流,即$Re\approx1775$。在稀悬浮液中,颗粒的初始排列对于在固定的雷诺数和颗粒体积分数下触发转变是重要的。在单相流中,最初在流动中诱导流向细长扰动。如果粒子在一定时间内产生足够高能量的斜向扰动,则条纹将被破坏,流动将经历向湍流的转变,粒子的运动轨迹将变得混沌。否则,条纹随时间衰减,并且颗粒以层流向通道芯迁移。
2015-01-26 physics.flu-dyn
Turbulence-Induced Fluctuating Interfaces in Heterogeneously-Active Suspensions
Indian Institute of Technology Kanpur(坎普尔印度理工学院);International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research(塔塔基础科学国际中心)
研究异质活性对密集细菌悬浮液流体动力学模型的影响,揭示活性模式如何导致湍流与阻塞摩擦环境间的界面形成,并探讨异质性对混合的影响。
2026-05-10 cond-mat.soft nlin.CD physics.comp-ph
Mechanism of Tubular Pinch Effect of Dilute Suspension in a Pipe Flow
实验表明,稀悬浮液在层流状态下通过圆管时,颗粒向平均半径约为圆管半径0.6倍的同心环形区域迁移。这种现象被称为管箍缩效应,这仍然没有完全理解。在这项研究中,能量梯度方法被用来研究这一现象。发现在低雷诺数时,颗粒将向r/R=0.58的位置移动。根据实验结果,对这一现象的机理进行了解释。
2008-11-11 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Lévy Fluctuations and Tracer Diffusion in Dilute Suspensions of Algae and Bacteria
游动微生物依靠有效的混合策略来实现有效的营养流入。最近的实验,探测单细胞双鞭毛藻的混合能力,发现被动示踪剂颗粒表现出异常的非高斯扩散时,浸泡在一个稀释的悬浮液中的自运动的莱茵衣藻藻类。定性地说,这种观察结果可以通过藻类诱导流体流动的事实来解释,该流体流动可能偶尔会将胶体示踪剂加速到相对较大的速度。然而,目前缺乏一个令人满意的定量理论,在稀活性悬浮液的增强混合。特别是,目前还不清楚示踪剂位置分布中的非高斯特征如何与微生物的自推进机制相关联。在这里,我们开发了一个系统的理论描述的异常示踪剂扩散的活性悬浮液,基于一个简化的示踪剂-游泳者的相互作用模型,捕捉典型的距离缩放的microswimmer的流场。我们表明,实验观察到的非高斯尾巴是通用的,并出现由于截断Lévy统计的速度场和代数衰减的时间相关性的流体相结合。我们的分析考虑,说明通过广泛的模拟,实现图形处理单元,以实现分析的示踪剂分布的尾部所需的大样本量。
2010-09-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Inertial migration in dilute and semi-dilute suspensions of rigid particles in laminar square duct flow
本文研究了方管层流中有限尺寸中性浮力球形颗粒在稀悬浮液和半稀悬浮液中的惯性迁移。我们进行了几个直接的数值模拟,使用浸没边界方法来研究的散装雷诺数$Re_b$,颗粒雷诺数$Re_p$和管道的颗粒尺寸比$h/a$在不同的固体体积分数$ϕ$的影响,从非常稀的条件$20\%$。研究表明,体雷诺数$Re_b$是稀悬浮液中颗粒惯性迁移的关键参数。在低固体体积分数($ϕ=0.4\%$)和低体积雷诺数$(Re_b= 144)$,颗粒积聚在管道壁的中心。随着$Re_b$的增加,聚焦位置逐渐移向管道的拐角。在较高的体积分数下,$ϕ=5, 10$和$20\%$,以及在含有$Re_b=550$的较宽导管中,发现颗粒从导管芯向管壁迁移。特别地,对于$ϕ=5$和$10\%$,颗粒优先在拐角处积聚。在所考虑的最高体积分数$ϕ=20\%$下,颗粒对管道的所有体积进行采样,在管道核心处具有较低的浓度。对于所有$ϕ$,颗粒的存在诱导管道横截面中的二次横流运动。这些二次流的强度强烈地依赖于颗粒旋转速率,在聚焦位置的颗粒的最大浓度,和固体体积分数。我们发现,二次流强度增加的体积分数高达$ϕ=5\%$。然而,除了$ϕ=5\%$之外,排除的体积效应导致横流速度的强烈降低。
2017-05-24 physics.flu-dyn
Prediction of shear-thickening of particle suspensions in viscoelastic fluids by direct numerical simulation
为了阐明定量预测粘弹性流体中悬浮液剪切增稠的关键因素,采用光滑剖面法对多模式Oldrophil-B流体中的多颗粒悬浮液进行了直接数值模拟。在周期性边界条件下,利用颗粒动力学的Lees-Edwards边界条件和流体动力学的随平均剪切流演化的时间相关斜坐标系,求解了简单剪切流下的悬浮流。半稀释的多颗粒悬浮液的颗粒体积分数为0.1进行了研究。关于剪切增稠行为的体相流变特性的数值结果同意定量与最近的实验结果的半稀悬浮液中的博格流体。研究结果表明,在剪切增稠开始的剪切速率范围内,准确估计基质的第一法向应力差,对于用Oldrophil-B模型定量预测在Weissenberg数$\rm{Wi}=1$附近的Boger流体基质中的悬浮剪切增稠是至关重要的。此外,悬浮液的微观结构对悬浮液粘度的影响进行了检查。最后讨论了流动模式和弹性应力发展随体积分数和Weissenberg数的变化规律。
2021-09-17 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Entrainment of particles during the withdrawal of a fiber from a dilute suspension
从稀颗粒悬浮液浴中取出的纤维根据流体的物理性质、取出速度、颗粒尺寸和纤维半径表现出不同的涂覆方案。实验表明,对于薄的涂层,只有液体没有颗粒被夹带。超过临界毛细管数,纤维被夹带颗粒的液膜覆盖。我们系统地表征了毛细管数,颗粒尺寸和纤维半径对颗粒夹带的阈值速度的作用。我们讨论了这两个制度之间的边界,并表明,在驻点的液膜厚度控制的夹带过程。纤维的半径在毛细管过滤中提供了新的控制程度,允许更好地控制膜中夹带的颗粒的尺寸。
2020-06-27 physics.flu-dyn
Extensional rheology of dilute suspensions of spheres in polymeric liquids
本研究通过计算模拟揭示,稀球悬浮液在聚合物液体中的拉伸流变行为受局部Deborah数调控,高浓度下负相互作用应力按c²增长,可更有效降低粘度。
2025-07-30 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Hydro-chemical interactions in dilute phoretic suspensions: from individual particle properties to collective organization
Janus泳动胶体(JPs)自推进作为自生的化学梯度的结果,并表现出自发的非平凡的动力学泳动悬浮液内,长度尺度远大于微观游泳者的大小。这种集体动力学产生于(i)粒子的自推进速度,(ii)粒子之间的吸引/排斥化学介导的相互作用和(iii)它们在周围介质中引入的流动扰动的竞争。这三种组分的含量直接取决于胶体表面的形状和物理化学性质。由于这种联系,我们适应最近流行的动力学模型的化学活性JP的稀释悬浮液中的颗粒的远场流体动力学和化学签名的内在联系,并明确确定的设计属性。使用线性稳定性分析,我们表明,自推进可以诱导波选择机制,某些粒子的配置与实验观察一致。对完整的动力学模型进行了数值模拟,分析了化学和流体动力学相互作用在非线性动力学中的相对重要性。我们的研究结果表明,在粒子密度的规则图案促进化学信号,但防止由极化粒子集体产生的强流体流动,无论其趋化或抗趋化性质(即拉和推游泳)。
2020-09-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Foundation and challenges in modelling Dilute Active Suspensions
本文针对活性悬浮液连续介质模型缺乏严格基础的问题,通过粗粒化多粒子Fokker-Planck方程,从微观动力学推导出稀薄极限下的平均场模型,并指出了实施物理边界条件与奇异解等建模挑战。
2024-09-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Hydrodynamic simulations of sedimenting dilute particle suspensions under repulsive DLVO interactions
我们提出的指导方针,以估计静电斥力在沉降稀颗粒悬浮液的效果。我们的结果是基于结合朗之万动力学和格子玻尔兹曼模拟的范围内的粒子半径,德拜长度和粒子浓度。它们显示了浓度依赖性沉降速度的斜率$K$与通过平均颗粒-颗粒距离归一化的静电排斥的范围$χ$之间的简单关系。当$χ\to 0$时,粒子彼此距离太远,不能如Batchelor理论所预测的那样与$K=6.55$静电相互作用。随着$χ$增加,$K$同样增加,好像颗粒半径与$χ$成比例地增加,直到在$χ=0.4$附近达到最大值。在范围$χ=0.4-1$,$K$指数松弛到浓度依赖性常数与已知的有序粒子分布的结果一致。同时,径向分布函数从无序的类气体形式过渡到类液体形式。与浓度依赖性沉降速度的幂律拟合类似地产生作为$χ= 0.6$的函数的指数的简单主曲线,其中从1到1/3的阶梯状过渡以$χ= 0.6$为中心。
2022-02-25 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.flu-dyn
Multifluid tensorial equations for the flow of semi-dilute monodisperse suspensions
本文利用体积平均技术推导出适用于半稀单分散非布朗悬浮液的双流体张量方程,并通过可调微观结构参数、颗粒间相互作用闭合模型及量级分析,建立了颗粒性质、微观结构与剪切诱导迁移之间的联系。
2025-01-03 physics.flu-dyn
Bacterial adhesion to curved surfaces in fluid flow
University College London(伦敦大学学院);University of Oxford(牛津大学)
通过分析高流速下扩散边界层的相似解,推导出细菌粘附率随表面弧长和壁面剪切率变化的解析表达式,预测细菌在弯曲表面上优先粘附于峰或谷取决于剪切率。
2026-06-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Velocity fluctuations in a dilute suspension of viscous vortex rings
我们探讨了由于在中等雷诺数的随机分布的涡环的稀悬浮液在流体中的速度波动,例如由一个大的群体的水母所产生的。与先前对与重力沉降或微泳者悬浮相关的速度波动的分析不同,这里的漩涡具有有限的寿命并且不断地产生。我们发现,净速度分布与单个涡流的分布相似,除了最小速度涉及许多远处涡流的贡献;结果是截断的$5/3$ -稳定分布,方差(和平均能量)在涡流体积分数中呈线性分布$ϕ$。该分布有一个宽度标度为$ϕ^{3/5}$的内核,然后是幂律为$|u|^{-8/3}$的长尾,最后是一个固定的截止值(与$ϕ$无关),高于该截止值,概率密度标度为$|u|^{-5}$,其中$u$是速度的一个分量。我们认为,这种分布是强大的意义上说,本地化的随机力所造成的任何速度波动的分布具有相同的属性,除了可能为不同的缩放后的截止。
2018-09-04 physics.flu-dyn
Viscoelastic control of spatiotemporal order in bacterial active matter
活性物质由通过消耗能量产生机械功的单元组成。实例包括生命系统,例如细菌和生物组织的组装体、由分子马达驱动的生物聚合物以及合成自推进颗粒的悬浮液。该领域的一个中心问题是理解和控制空间和时间中活动集合体的自组织。大多数主动系统表现出空间秩序介导的相互作用,协调的空间结构和运动的活性剂或个人振荡动力学的时间同步。同时控制空间和时间组织更具挑战性,通常需要复杂的相互作用,如反应扩散层次或基因工程细胞电路。在这里,我们报告了一种新的和简单的手段,同时控制空间和时间的自组织细菌活性物质。通过限制活性细菌悬浮液和操纵一个宏观参数,即悬浮流体的粘弹性,我们发现细菌流体首先在空间中自组织成毫米级的旋转涡旋;然后显示时间组织作为巨大的涡旋切换其全球手性周期性与可调频率,让人想起扭摆-一个自驱动的。结合实验与活性物质模型,我们解释了这一惊人的行为之间的相互作用,积极迫使和粘弹性应力松弛。我们的研究结果推进了对复杂流体中细菌行为的理解,并首次通过实验证明流变学特性可以用来控制活性物质流动。与驱动相结合,我们的可调自振荡细菌涡旋可以用作软机器人运动和微流体泵送的“时钟”。
2020-11-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Transport of a dilute active suspension in pressure-driven channel flow
本文通过动力学模型研究压力驱动通道流中稀活性悬浮液的受限输运行为,揭示壁面聚集源于运动学效应,并推导出逆流游动速度的解析表达式。
2015-04-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Effects of dilute coal char particle suspensions on propagating methane detonation wave
瓦斯/煤尘混合爆炸是加工和采矿工业中常见的危险源之一。基于欧拉-拉格朗日方法研究了甲烷爆轰波在煤焦颗粒悬浮液中的传播。重点研究了煤焦燃烧对甲烷爆轰动力学的影响,结果表明,甲烷爆轰波在煤颗粒悬浮液中的传播受颗粒浓度和粒径的影响较大。当煤粒尺寸小、浓度高时,爆轰发生熄灭。平均电极导线冲击速度通常随着颗粒浓度的增加和颗粒尺寸的减小而减小。从气体和颗粒的量出发,分析了混合爆轰波的平均结构和相间耦合。结果表明,煤焦燃烧在爆震波后的亚音速区域进行,与气相反应相比,燃烧放热相对分散。在诱导区内,传质和能量传递速率在反应前沿附近迅速增大,达到最大值。此外,对于1 μm颗粒,当颗粒浓度超过某一阈值时,爆轰在煤粉悬浮初期被淬灭后发生再起爆。这是由激波沿反应前沿聚焦的热点引起的,这些激波是由铅激波后面的焦炭燃烧产生的。
2022-07-31 physics.flu-dyn
Layering instability in a confined suspension flow
我们已经证明[J]。流体机械{ \bf 592},447(2007)],在受限悬浮流中交换(反转)轨迹防止在相邻流线中彼此接近的颗粒之间的碰撞。在这里,我们表明,通过诱导分层,这种流体动力学机制改变了在一个封闭的库埃特流悬浮液的微观结构。层发生在近壁区域或跨越整个通道宽度,这取决于交换轨迹效应的强度。虽然我们的理论侧重于稀悬浮液,我们假设,这种新的流体动力学机制控制在这样的流量在很宽的密度范围内的层状微观结构的形成。
2011-11-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Two regimes of dilute turbulent settling suspensions under shear
本文数值研究了剪切流中稀释非惯性沉积物的湍流沉降,发现根据沉降速度可分为均匀弱分层湍流和顶部湍流底部间歇边界层两种状态,中等沉降速度下流动层流化。
2025-05-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Inertial focusing of a dilute suspension in pipe flow
刚性颗粒悬浮液在壁面层流中的动力学表现出一些重要而有趣的特征,包括颗粒有序化、横向输运以及出现稳定的、优先的位置,如塞格雷-西尔伯伯格环。形成一个以上的环带是一个特别令人困惑的现象,仍然没有完全解释。在这里,我们提出的数值模拟结果的稀悬浮颗粒在(周期性)管流的格子玻尔兹曼和离散元方法(DEM)的基础上。我们的模拟提供了访问完整的径向位置历史的粒子,而向下游行进。这允许精确地量化瞬态和稳态。我们观察到形成的二次,内环,并表明,它的位置总是朝着塞格雷-西尔伯贝格一个,如果通道是足够长的,证明它是,事实上,雷诺数(Re)的瞬态功能高达600。我们量化的通道聚焦长度($L_s/2R$)与Re的变化。有趣的是,与点状颗粒的理论预测不同,我们观察到$L_s/2R$随单个颗粒和悬浮液的Re增加而增加。
2022-07-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Analysis of the viscosity of dilute suspensions beyond Einstein's formula
我们提供了一个数学分析的有效粘度的悬浮液中的球形颗粒在斯托克斯流,在低固体体积分数$ϕ$。我们的目标是超越爱因斯坦的近似$μ_{eff}=(1+\frac{5}{2}ϕ)μ$。假设$N$粒子之间的最小距离的下界,我们能够识别有效粘度的$O(ϕ^2)$校正,这涉及成对粒子相互作用。应用近年来在库仑气体上发展起来的方法,我们能够解决$O(ϕ^2)$ -修正的极限$N \rightarrow +\infty$,并且当粒子中心可以用周期或平稳遍历点过程描述时,给出了这个极限的显式公式。
2020-08-12 math.AP physics.flu-dyn
Vortex reversal is a precursor of confined bacterial turbulence
本文通过实验、建模与解析理论,发现圆柱约束下细菌悬浮液随半径增大经历涡旋反转、四涡旋脉动到主动湍流的转变序列,并揭示涡旋反转源于前三个方位角模态的非线性相互作用。
2024-07-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.CD
Exact coherent structures with dilute particle suspensions
University of Manchester(曼彻斯特大学);University of Bristol(布里斯托大学)
研究了剪切作用下悬浮液沉降的物理机制,分析了不可压缩纳维-斯托克斯方程的不稳定性平衡解,结合颗粒扩散-沉降方程,探讨了被动标量和分层两种情形下的颗粒浓度场结构及输运通量公式。
2026-04-04 physics.flu-dyn
Particle-based simulations of self-motile suspensions
本文研究了一种模拟主动悬架流动的简单模型。该方法是基于耗散粒子动力学。虽然该模型可能适用于广泛的自推进粒子系统,特定类别的自运动细菌悬浮液被认为是一个建模方案。为了模拟细菌的棒状几何形状,两个耗散粒子动力学粒子通过刚性谐波弹簧连接以形成聚集的耗散粒子动力学分子。细菌运动是通过一个恒定的自推进力沿每个这样的聚集分子的轴施加建模。该模型占自推进剂之间的流体动力学相互作用,通过成对的耗散相互作用传统的耗散粒子动力学。数值模拟使用定制版本的开源LAMMPS(大规模原子/分子大规模并行模拟器)软件包进行。详细研究了药剂浓度、成对耗散相互作用和斯托克斯摩擦对系统统计特性的影响。模拟被用来探索主动悬架中的流体动力学相互作用的影响。当介质浓度较高时,在两两耗散力的共同作用下,系统的运动模式和动能的谱分布呈现出强相关性,而Stokes摩擦力的作用下,系统的速度场呈现出较弱的空间相关性.这些结果表明,流体动力学相互作用可能在主动悬浮液中空间延伸结构的形成中起重要作用。
2013-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Influence of interfacial slip on the suspension rheology of a dilute emulsion of surfactant-laden deformable drops in linear flows
本文研究了界面滑移对线性流场中液滴稀悬浮液的变形和乳状液流变性的影响。液滴充满了表面活性剂,这些表面活性剂是本体不溶性的,并且仅沿着界面传输。采用渐近方法进行本分析,以解决由于变形的液滴的非线性。分析是在两种不同的限制情况下进行的,即:表面扩散为主的表面活性剂运输和表面对流为主的表面活性剂运输。对于任何一种极限情况下,我们看两个常见的散装流-单轴拉伸和简单剪切流的液滴动力学。在任何一个阶段的流体惯性可以忽略不计的假设下,它表明,在液滴界面处的滑移显着影响的表面张力引起的Marangoni应力,因此液滴变形和乳液流变学。界面滑移的存在不仅使液滴变形减小,而且使乳液的有效粘度降低。液滴变形和有效粘度的下降被认为是更严重的限制情况下,表面对流为主的表面活性剂运输。对于施加简单剪切流的情况,由于液滴变形产生的法向应力差也由于界面滑移的存在而受到影响。
2018-01-17 physics.flu-dyn
Extinction and re-initiation of methane detonation in dilute coal particle suspensions
本文基于欧拉-拉格朗日方法研究了甲烷爆轰波在稀煤颗粒悬浮液中的传播。二维配置被认为是一个骨架化学机制(24物种和104反应)被应用于甲烷燃烧。气相和颗粒相方程求解使用OpenFOAM代码两相可压缩反应流,RYrhoCentralFOAM。研究了煤焦燃烧对甲烷爆轰动力学的影响,并模拟了脱挥发分煤颗粒。结果表明,煤颗粒浓度和粒径对甲烷爆轰波在煤颗粒悬浮液中的传播有很大影响。当煤粒尺寸小、浓度高时,爆轰发生熄灭。平均电极导线冲击速度通常随着颗粒浓度的增加和颗粒尺寸的减小而减小。从气体和颗粒的量出发,分析了甲烷和煤粒混合爆轰的平均结构。结果表明,煤焦燃烧在爆震波后的亚音速区域进行,与气相反应相比,燃烧放热相对分散。此外,对于1 μm颗粒,当颗粒浓度超过某一阈值时,爆轰在煤粉悬浮初期被淬灭后发生再起爆。这是由激波沿反应前沿聚焦的热点引起的,这些激波是由铅激波后面的焦炭燃烧产生的。预测了爆轰波传播和熄灭的区域图。研究发现,再引发位置随颗粒浓度的增加而减小,当颗粒浓度超过1000 g/m3时,再引发位置趋于一个恒定值。研究结果对瓦斯/煤尘复合爆炸的预防和抑制具有重要意义。
2022-02-06 physics.flu-dyn
Dissipation and microstructure in sheared active suspensions of squirmers
School of Advanced Manufacturing Engineering, Nanjing University(南京大学高级制造工程学院);Department of Mechanical Engineering and Institute of Applied Mathematics, University of British Columbia(不列颠哥伦比亚大学机械工程系与应用数学研究所)
研究揭示了剪切作用下squirmers悬浊液中活动与流动对耗散和微结构的相互作用,发现剪切增强耗散但降低相对粘度,且推者比拉者在低剪切速率下消耗更多能量。
2026-10-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Simulations of Fibre Orientation in Dilute Suspensions with Front Moving in the Filling Process of a Rectangular Channel Using Level Set Method
本文用投影和水平集方法模拟了纤维在有波前移动的稀悬浮液中的取向。纤维的运动用Jeffery方程描述,纤维对流动的贡献用组态场法计算。流体流动的控制纳维-斯托克斯方程采用有限差分格式的投影法求解,而纤维相关方程则采用龙格-库塔法直接求解。研究结果表明,纤维运动对喷泉流的流向和横向速度分布有很大的影响。纤维运动在壁面附近产生很强的正应力,这导致横向速度比无纤维的牛顿流降低,而壁面附近的流向速度则增加。因此,加入到流中的纤维削弱了喷泉流的强度。在充型过程中,纤维取向并不总是沿速度矢量方向。在喷泉流区,靠近中心线的纤维比远离流动前沿的区域更倾向于与流向交叉。这导致在喷泉流区域中靠近中心线的纤维沿着横向方向更多地延伸。由于纤维在悬浮液流中的取向和流动前沿的形状对注塑制品的质量有很大的影响,因此这项研究对工程应用有很大的意义。这些结果也可用于处理纤维悬浮液的其他领域。
2008-11-10 physics.flu-dyn
Meso-scale turbulence in living fluids
湍流无处不在,从洋流到小规模的生物和量子系统。微生物悬浮液中的自维持湍流运动是最简单的生命形式中集体动力学行为的一个有趣的例子,对于微尺度上的流体混合和分子输运非常重要。在活跃的非平衡流体中的湍流现象的数学表征证明甚至比传统的液体或气体更困难。目前还不知道生命物质中湍流相的哪些特征是普遍的或系统特异性的,或者纳维-斯托克斯方程的哪些推广能够充分描述它们。在这里,我们结合实验,粒子模拟和连续介质理论,以确定在主动系统中的自持中尺度湍流的统计特性。为了研究维度和边界条件如何影响集体细菌动力学,我们测量了密集的枯草芽孢杆菌悬浮液中的准二维和三维几何形状的能谱和结构函数。我们的实验结果的细菌流量统计数据吻合良好的预测从一个极小模型自推进棒,这表明在高浓度的细菌的集体运动是由短程相互作用为主。为了给今后的理论研究提供基础,我们提出了一个不可压缩细菌流动的最小连续介质模型。详细的数值分析表明,该理论可以重现许多实验观察到的自持主动湍流的功能。
2012-08-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Stress analysis of dilute particle suspensions in non-Newtonian fluids with efficient evaluation in the weakly non-Newtonian limit
Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering, Cornell University(康奈尔大学机械与航空航天工程学院);Robert Frederick Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering, Cornell University(康奈尔大学罗伯特·弗雷德里克·史密斯化学与生物分子工程学院)
本文提出了一种半解析框架,用于计算稀释粒子载流非牛顿流体中的悬浮应力,适用于弱非牛顿极限下的各种流体。
2025-12-23 cond-mat.soft math-ph math.MP
Self-organisation of auto-phoretic suspensions in confined shear flows
本研究通过连续介质动力学模型模拟,探究受限剪切流中趋化性Janus泳动粒子稀悬浮液的动力学,揭示了受限驱动的一维瞬态稳态分布特征及稳定性,并分析了粒子对流动的反馈与悬浮液有效黏度。
2023-12-14 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Turbulence-assisted formation of bacterial cellulose
细菌纤维素是一类重要的生物材料,可以在良好控制的实验室和工业条件下生长。纤维素的结构受多种生物、化学和环境因素的影响,包括细菌悬浮液中的流体动力学流动。在这项工作中,我们探索了使用良好控制的湍流来控制细菌纤维素生产的可能性。导致流体元素随机运动的湍流可影响由细菌产生的细胞外聚合物基质的结构。在这里,我们表明,在空气-液体界面的二维湍流产生混乱的旋转在一个明确的尺度和随机的持续拉伸的流体元素。研究结果为通过控制湍流参数来实现细菌纤维素结构的工程化提供了新的途径。
2021-07-27 physics.app-ph physics.bio-ph physics.flu-dyn
Spontaneous oscillations and geometric cutoff in confined bacterial swarms
Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences (UCAS)(中国科学院大学材料科学与光电技术学院物质科学与光电工程中心);Department of Physics, Hong Kong Baptist University(香港浸会大学物理系);Center for Interdisciplinary Studies, Westlake University(西湖大学交叉研究中心)
通过最小线性响应模型,将细菌游动与流体流动耦合,揭示长程流体动力学相互作用作为宏观通信通道,解释了准二维细菌悬浮液中宏观椭圆运动的物理机制,并解析预测了起始细胞密度和最大膜厚度,与实验定量吻合。
2026-06-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Linear stability analysis of particle-laden planar jet in the dilute suspension limit
本文对稀悬浮含颗粒平面射流进行局部线性稳定性分析,揭示 Stokes 数、密度比和非均匀颗粒载荷对蜿蜒、曲张及新增组分不稳定性的影响。
2022-10-21 physics.flu-dyn
Columnar structure formation of a dilute suspension of settling spherical particles in a quiescent fluid
本文研究了球形重颗粒在静止液柱中的沉降。所执行的实验涵盖了一系列的伽利略数($110 \leq \text{Ga} \leq 310$)的固定密度比$Γ= ρ_p/ρ_f = 2.5$。在这种情况下,粒子是已知的(M。Jenny,J. Dušek和G. Bouchet,Journal of流体力学508,201(2004).)来展示各种各样的动作。众所周知,尾流经历了几个转变,以增加$\text{Ga}$,导致粒子运动依次为:垂直,倾斜,倾斜振荡,最后是混沌。这不仅改变了单个的,孤立的,沉降颗粒的轨迹,但它也改变了一群粒子的动态集体效应变得重要,即使是稀释的悬浮液,体积分数高达$Φ_V = \mathcal{O}\left(10^{-3}\right)$,这是在这项工作中进行了研究。沉降颗粒的多相机记录被记录并在3维中随时间跟踪。进行了各种分析,并显示出很强的聚类行为。在水平面中的Voronopartite镶嵌的细胞面积的分布进行比较的随机分布的颗粒,并显示出明确的聚类。此外,Voronoprene面积和颗粒速度之间的负相关性,聚集的颗粒下降更快。此外,两个相邻的颗粒和垂直之间的角度进行了计算,并比较均匀分布的颗粒,颗粒的垂直排列的明确证据被发现。
2016-11-17 physics.flu-dyn
Active bacterial pattern formation in evaporating droplets
Eindhoven University of Technology(埃因霍温理工大学);Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology(马克斯·普朗克陆地微生物研究所)
本文研究蒸发液滴中大肠杆菌与毛细限制的相互作用及图案形成,发现三种依赖于细菌活性和环境条件的图案类型,揭示细菌与液滴内毛细流动的相互作用对其扩散的调控机制。
2025-11-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn