Shock trapping and inertial escape: Dust-particle clustering in compressible turbulence
International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research（理论科学国际中心，塔塔基础研究所）
研究压缩湍流中尘粒在激波捕获与惯性逃逸之间的转变机制及其对尘粒聚团的影响
2025-12-08 astro-ph.EP astro-ph.GA nlin.CD
Direct Measurement of Unsteady Microscale Stokes Flow Using Optically Driven Microspheres
越来越多的真核生物鞭毛的动力学研究指出，它们的振荡频率足够高，以至于不稳定斯托克斯流的粘性渗透深度与鞭毛同步的尺度相当。将这些效应应用到同步理论中，需要了解振荡体周围的全局非定常流。然而，一直没有精确的实验测试的微观尺度上的最基本的方面，这种不稳定的斯托克斯流：被动示踪剂的轨道和位置依赖的相位滞后之间的振荡响应的流体在一个遥远的点和驱动粒子。在这里，我们报告的第一个这样的直接拉格朗日测量的非定常流。该方法使用$30$亚微米示踪剂颗粒的阵列，其通过分时光阱相对于较大的中心颗粒以一定范围的距离和角位置定位，然后通过振荡光阱以高达$400$ Hz的频率驱动。在这个微尺度制度，示踪剂动力学是相当简化的小惯性效应对粒子运动和有限频率的修正斯托克斯阻力定律。示踪剂被发现显示椭圆Lissajous数字，其方向和几何形状是在协议的低频扩展的基础动力学，和实验相移之间的运动平行和正交的振荡轴表现出预测的缩放形式的距离和角度。同步动力学这些结果的可能影响进行了讨论。
2020-10-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Particle Dynamics and Rapid Trapping in Electro-Osmotic Flow Around a Sharp Microchannel Corner
在这里，我们研究了好奇的粒子动力学产生的电渗流周围的微通道交界处的角落，其电介质壁是弱极化。流体动力学速度场通过与微通道和颗粒表面的平衡zeta电位和非线性感应电荷电渗流相关联的线性无旋项的叠加而获得，所述非线性感应电荷电渗流源自于外部施加的电场对它在固液界面处感应的电荷云的相互作用。粒子动力学分析考虑介电泳力通过添加一个迁移率项的流场在斯托克斯阻力定律的限制。前一个非发散自由项负责颗粒向尖锐的微通道接合角迁移，在那里它们可能积聚。各种应用的电场和微粒尺寸的粒子捕获的实验观察合理化的介电泳力和诱导电荷的贡献，随着外部施加的电场的强度增加的全球速度场的增长的相对重要性。
2014-04-29 physics.flu-dyn
Enhanced dispersion in an oscillating array of harmonic traps
实验，理论和模拟来了解胶体粒子的色散的周期性阵列的振荡谐波光镊产生的陷阱。在陷阱振荡的存在下，观察到非单调和各向异性的色散。令人惊讶的是，最硬的陷阱在临界频率下产生最大的分散，并且粒子在振荡方向上的扩散速度明显快于那些经历被动斯托克斯-爱因斯坦-萨瑟兰扩散的粒子。理论预测的有效扩散率的粒子作为陷阱的刚度和振荡频率的函数开发使用广义泰勒色散理论和布朗动力学模拟。理论和模拟表明与实验非常吻合，并揭示了一个新的“弹弓”的机制，预测显着增强的胶体扩散在动态的外部领域。
2022-09-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Transport of condensing droplets in Taylor-Green vortex flow in the presence of thermal noise
我们研究了相变和热噪声在湍流中颗粒输运中的作用。我们采用一个玩具模型提取的主要物理：冷凝液滴建模为重粒子的大小增长，环境流建模为一个二维泰勒-格林（TG）流组成的一个阵列的旋涡划定separatrices，和热噪声建模为不相关的高斯白噪声。一般来说，重惯性粒子被离心出高涡度区，进入高应变区。在细胞流中，我们发现，在协议与早期的结果，与斯托克斯数小于一个临界值，$St < St_{\rm{cr}}$的液滴，保持被困在旋涡中，他们被初始化，而较大的液滴移动弹道远离其初始位置通过交叉separatrices。我们独立地改变Péclet数$Pe$表征的幅度的热噪声和冷凝率$Π$，以研究它们对液滴捕获的临界斯托克斯数的影响，以及对液滴的运动的最终状态。我们发现，施加热噪声，或有限的冷凝率，允许液滴的$St < St_{\rm{cr}}$离开其初始的漩涡。我们发现，热噪声的影响变得可以忽略不计的增长液滴，和增长液滴实现弹道运动时，他们的斯托克斯数成为$\mathcal{O}(1)$。我们还发现了一个中间制度之前，达到弹道状态，在其中液滴扩散远离其初始的旋涡中存在的热噪声。
2021-11-07 physics.flu-dyn
Effective slippage on superhydrophobic trapezoidal grooves
我们研究的有效滑移的超疏水性槽与梯形截面的各种几何形状（包括三角形和矩形条纹的极限情况），通过使用两种互补的方法。首先，已经执行了经过这种表面的流的耗散粒子动力学（DPD）模拟以验证表达式[E.S.Asmolov和O.I.Vinogradova，J.Fluid \textbf{706}，108（2012）]，其涉及一维纹理的有效滑移长度张量的本征值。其次，我们提出了有效滑移长度的理论估计，并通过基于配点法求解Stokes方程进行数值计算。两种方法之间的比较表明，它们是非常一致的。我们的研究结果表明，有效的滑移强烈地依赖于面积平均滑移，粗糙度的幅度，并在与液体接触的固体的分数。为了解释这些结果，我们分析了滑动不均匀性附近的流动奇异性，并证明了它们抑制了有效滑动并增强了流动的各向异性。最后，我们提出了一些指导原则，以设计最佳的一维超疏水表面，在微流体的潜在应用的动机。
2013-10-17 physics.flu-dyn
Trapping-loss transition via a saddle-node bifurcation in thermophoretic particle transport driven by a time-periodic vortex
Indian Institute of Technology Madras（印度马德拉斯理工学院）
研究含局部温度场的时间周期涡旋中惯性粒子输运，推导周期平均径向迁移模型，发现无量纲参数Π决定粒子俘获状态，低于临界值时通过鞍结分岔致俘获丧失，该机制稳健。
2026-07-10 physics.flu-dyn
Inertial particle trapping in an open vortical flow
最近的数值结果表明，对流动力学的粒子密度比流体可以保持无限期地被困在一个开放的流体流动的有界区域。在这里，我们调查这一违反直觉的现象，数值和分析建立的条件下，底层粒子捕获吸引子可以形成。我们专注于一个二维开放的流动组成的一对涡和它的镜像，这是一个系统，我们表示为一个涡对加上沿对称线的壁。考虑到粒子的密度比流体大得多，我们表明，两个点吸引子形成在附近的涡对提供的粒子斯托克斯数小于一个临界值的顺序统一。在没有壁的情况下，吸引点的盆的边界是光滑的。当壁存在时，点吸引子在此坐标系中描述反向旋转的椭圆，其周期等于一个孤立涡对周期的一半。然而，它们的边界被示出成为分形，如果到壁的距离小于与斯托克斯数的平方根倒数成比例的临界距离。这种转变是有关的分界线，产生一个异宿纠缠接近的旋涡，我们使用Melnikov函数描述的故障。对于一个更小的距离的墙壁，我们表明，第二分界线打破和一个新的异宿纠缠形成更远离旋涡。在流动的开放部分释放的粒子可以接近吸引子，并被永久地捕获，只要它们穿过两个分离面。此外，从开放流的重颗粒的捕获被证明是强大的重力，粘度和噪声的存在。
2014-03-28 nlin.CD physics.flu-dyn
A 4-channel microfluidic hydrodynamic trap for droplet deformation and coalescence in extensional flows
在这里，我们捕获和控制液滴的位置，研究它们的动力学使用单独的流体动力学没有外部场。流体动力学阱通过并入按需滴液系统以在相同微流体芯片上的T形结几何形状处产生液滴而从先前实施的斯托克斯阱进行调整。然后，我们研究受限的液滴动力学响应扰动施加毫秒压力脉冲变形被困液滴。在压力脉冲停止之后，液滴形状松弛遵循指数衰减。特征液滴形状弛豫时间从分散相中不同粘度的含水甘油液滴的形状衰减曲线获得，其中轻质和重质矿物油在连续相中。选择系统以提供相似的平衡界面张力（5-10 mN/m），具有宽的粘度比变化。结果表明，液滴形状弛豫对液滴半径有很强的依赖性，而对分散相和连续相粘度之比的依赖性较弱。最高粘度比的弛豫时间较小，这可能表明除了界面张力和液滴尺寸之外，主导粘度还控制液滴形状弛豫时间。液滴形状弛豫时间可用于告知乳液中的液滴在各种处理条件下经受瞬态流动时的响应。最后，该平台的应用直接可视化单个液滴在平面拉伸流的聚结。因此，微流体四通道流体动力学阱可以应用于研究微尺度上的液滴变形和液滴-液滴相互作用的基本物理，以提供对单个液滴水平上的乳液行为的增强的理解。
2020-03-02 physics.flu-dyn
W-waveform Standing Surface Acoustic Waves with Two Equilibrium Positions under Linear Phase Modulation for Patterning Microparticles into Alternate Grid Patterns
本文提出了W波形驻波声表面波（W-SSAW），并将其应用于两组不同尺寸的微粒子的交替图案化，而无需固定第一图案化的粒子。W-SSAW由频率为$f$和$2f$的两个驻波表面声波构成。与线性相位调制相结合，以恒定速度平移Gor'kov势，W-SSAW可以选择性地捕获粒子。被捕获的粒子遵循运动的Gor'kov势，保持Stokes阻力和W-SSAW辐射力之间的力平衡。每个周期存在两个不对称的平衡位置，由于不对称性，每组粒子被困在不同的平衡位置，形成交替的图案。通过保持X和Y方向W-SSAW之间的相位差$90^\circ$，将该技术扩展到二维交替图案化。利用W-SSAW的图案化方法优于基于SSAW的图案化，因为它不需要时间分离来固定首先图案化的颗粒。
2016-11-10 physics.flu-dyn
Dust trapping in inviscid vortex pairs
研究了在有无惯性和沉降的情况下，重微粒在同向旋转涡对中的运动。非惯性沉降颗粒的动力学被证明是混乱的，在重力和涡旋的圆形位移的综合作用下。这种现象对粒子惯性（如果有的话）非常敏感。通过对旋转参考系中的粒子运动方程使用近似哈密顿动力系统理论，可以表明，只要粒子响应时间为稳定时间的量级（单位阶弗劳德数），粒子运动方程的小惯性项就强烈地修改未扰动系统的同宿轨线和异宿环的Melnikov函数。临界弗劳德数以上的混沌运动消失，并定期离心发生的Melnikov分析和数值模拟相比。具有有限惯性的粒子，在没有重力的情况下，不一定会被离心分离出涡旋系统。事实上，这些粒子在旋转参考系中可以有各种平衡位置，就像天体力学中的拉格朗日点一样，这取决于它们的斯托克斯数是小于还是大于某个临界值。稳定性分析表明，其中两个点是稳定的吸引点，因此可以对注入隔离同向旋转涡旋对中的惯性颗粒进行永久捕获。粒子捕获观察到持续粘度时，因此，涡聚结，考虑。在大但有限雷诺数的数值实验表明，颗粒确实可以被困在涡卷起暂时，并最终离心离开涡聚结发生。
2010-03-19 physics.flu-dyn
Trapping and Transport of Inertial Particles in a Taylor-Green Vortex: Effects of Added Mass and History Force
本文研究 Taylor-Green 涡中有限密度惯性粒子的捕获与输运，通过线性稳定性分析和数值模拟揭示附加质量与历史力对 St-R 参数空间中捕获、扩散和弹道行为区域的影响，发现同时计入两者时所有粒子均呈弹道运动。
2025-03-10 physics.flu-dyn
Self-induced polar order of active Brownian particles in a harmonic trap
流体动力学相互作用的活性粒子在一个外部的谐波势形成一个自组装流体泵在足够大的佩克莱数。在这里，我们给出了一个定量的标准，形成的泵，并表明，粒子取向对齐的自诱导流场中令人惊讶的类比铁磁秩序的积极Péclet数起着反温度的作用。粒子取向遵循玻尔兹曼分布$Φ(\mathbf{p}) \sim \exp(A p_z)$，其中有序平均场$A$与有效Péclet数和极性序参量成比例。平均流场中的颗粒的游泳方向对齐对应于一个正则化stokeslet与游泳速度成正比的强度。分析平均场的结果进行了比较，从布朗动力学模拟的结果与流体动力学相互作用，并发现捕获自诱导对齐非常好。
2014-02-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Exponential asymptotics and the generation of free-surface flows by submerged line vortices
最近，人们对与非零涡量耦合的水波的研究产生了很大的兴趣。我们推导出解析近似的指数小自由表面波在二维由一个或几个淹没点涡驱动时，在低弗劳德数。涡被固定在适当的位置，沿表面弧长的边界积分公式允许研究非线性波和强点涡。我们证明，对于一个单点涡，指数渐近技术规定的波的形成与存在的斯托克斯线起源于涡。当多个点涡流被放置在流体中时，可能会出现被困波，其被限制在涡流之间。我们还表明，对于两个涡的问题，被困波的现象发生的弗劳德数的值的可数无穷集。这项工作将形成一个基础，为其他渐近调查波结构相互作用的涡度在表面波的形成中起着关键作用。
2023-01-24 physics.flu-dyn
Asymptotic analysis of chaotic particle sedimentation and trapping in the vicinity of a vertical upward streamline
本文用渐近方法研究了重Stokes粒子在平面层流和轴对称流中的沉降。我们专注于Stommel的保留区的发生，并在分裂他们的separatrices。本文的目的是分析在什么条件下这些保留区可以形成，以及在什么条件下，他们可以打破和诱导混沌颗粒沉降。颗粒在静止流体中的终极速度与流体的典型速度相当，颗粒的响应时间远小于典型的流动时间尺度。据观察，如果流是稳定的，并有一个向上的流线，其中的垂直速度有一个严格的局部最大值，然后惯性粒子轨迹可以采取局部的椭圆形Stommel细胞的形式，提供粒子的终极速度是足够接近当地的峰值流速。这些结构仅依赖于局部流动拓扑，并且不要求流动具有闭合流线或停滞点。如果，此外，流是提交给一个弱的时间周期性扰动，经典的扩展使一个写的粒子动力学作为一个自由度的哈密顿系统，加上扰动包含两个耗散项的粒子运动方程和流动的不稳定性。因此，Melnikov的方法提供了准确的标准来预测上述椭圆细胞的分界线的分裂，导致混沌粒子捕获和混沌沉降。本文讨论了粒子惯性和流动不稳定性对Melnikov函数简单零点出现的影响。然后研究了平面胞状流和垂直管道中的颗粒运动，以说明这些结果。
2010-03-22 physics.flu-dyn
Trapping and extreme clustering of finitely-dense inertial particles near a rotating vortex pair
针对旋转系统中惯性粒子的捕获问题，通过数值模拟研究旋转Lamb-Oseen涡旋对中粒子的行为，分析St和R的影响，发现极端聚集现象及BBH力的作用，其结果对星子形成等领域有意义。
2024-05-08 nlin.CD physics.flu-dyn
Interfaces as transport barriers in two-dimensional Cahn-Hilliard-Navier-Stokes turbulence
本研究利用拉格朗日示踪粒子与二维CHNS方程的直接数值模拟，揭示了二元流体湍流中界面作为输运屏障的作用，发现液滴内粒子比例呈指数衰减且平均首达时间显著增大。
2024-04-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Non-inertial hydrodynamics of manipulating particle transport
Grainger College of Engineering（格兰杰工程学院）
研究非惯性流体中微流体操控粒子轨迹的机制，探讨障碍物对粒子轨迹影响的物理原理，揭示流体动力学效应在粒子偏转中的作用。
2026-03-16 physics.flu-dyn
Vorticity Packing Effects on Long Time Turbulent Transport in Decaying Two-Dimensional Incompressible Navier-Stokes Fluids
Institute for Plasma Research（等离子体研究所）；University of Notre Dame（圣母大学）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国立研究所）
研究涡度堆积分数对衰减二维不可压缩纳维-斯托克斯湍流中长时间输运的影响，揭示涡度堆积对输运行为和欧拉平衡态的关联。
2025-11-07 nlin.CD physics.comp-ph physics.flu-dyn
The mean transport of inertial particles in viscous streaming flows
粘性流已经成为一种有效的方法来运输，捕获和集群惯性粒子在流体中。以前的工作表明，这种运输是很好地描述了Maxey-Riley方程增加了一个长期代表萨夫曼电梯。然而，在其直接应用到粘性流动，方程遭受严重的数值刚度由于粘性响应，振荡周期，和缓慢的平均运输的时间尺度之间的巨大差距，提出了一个严峻的挑战，绘制物理洞察力的平均粒子轨迹。在这项工作中，我们开发的方程，直接管理振荡粘性流中的颗粒的平均运输。这些方程的推导依赖于三个关键技术的组合。在第一，我们开发了一个惯性粒子速度场通过一个小的斯托克斯数展开的粒子的偏离的流体。这种扩展清楚地揭示了Faxén校正和Saffman提升在影响流细胞中颗粒捕获方面的主要重要性。然后，我们应用广义拉格朗日平均理论，明确地将输运分解为快和慢尺度，并最终发展拉格朗日平均速度场来控制平均输运。最后，我们进行了小振幅的扩展，以简化控制方程，并澄清层次的一阶和二阶的影响，特别是，斯托克斯漂移的平均运输中的关键作用。我们证明了最后一组方程的流体和惯性粒子的运输配置涉及一个和两个弱振荡的气缸。值得注意的是，新的方程允许数值时间步长是$O(10^3)$大于现有的方法，几乎没有牺牲精度，允许更有效的预测运输。
2020-08-25 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Particle dynamics in a microfluidic T-junction vortex flow: the role of history force
University of Naples “Federico II”（那不勒斯费德里科二世大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；CNAM-Arts et Metiers Paris Tech（国立工艺学院）
该研究在微流控T型结中，结合含Basset-Boussinesq历史力的颗粒力平衡方程，分析不同雷诺数下涡旋流对惯性颗粒运动的影响，揭示历史力减弱颗粒捕获的作用。
2026-10-12 physics.flu-dyn
Optical Micromanipulations based on Model Predictive Control of Thermoviscous Flows
Karlsruhe Institute of Technology (KIT)（卡尔斯鲁厄理工学院）；University of Cambridge（剑桥大学）
本研究提出一种基于热粘性流分析模型的随机优化方法，通过最小化目标函数实现模型预测控制，在拥挤环境中达到亚微米级粒子对准精度并避免流体动力学不稳定性，从而提升了自动化光流控微操纵的多功能性。
2025-10-31 physics.flu-dyn physics.optics
