Viscous tubular-body theory for plane interfaces
纤维在微观世界中无处不在。它们经常发生在生物和工业环境中，并显示出多样和丰富的动态。它们的广泛应用促进了一个特殊的渐近分支的发展，该分支专注于细丝的行为，称为细长体理论。细长体理论通常在计算上是有效的，并且专注于不太弯曲的孤立纤维的力学。然而，在探索更复杂的复杂系统时，需要超越这些标准极限的细长体理论。最近，我们开发了管体理论的缓慢粘性流，一种类似于细长体理论，允许流体动力牵引任何孤立的电缆状的身体在一个高粘性流体被准确地确定。在本文中，我们扩展管体理论模型细丝附近的平面接口进行类似的扩展的单层边界积分方程的机构由一个平面接口。在推导的新理论，称为管体理论的接口，我们建立了一个标准的收敛管体理论级数表示，比较的结果之前，边界积分模拟的长椭球体的墙壁。管体理论的接口模拟被发现捕捉润滑效果时，靠近平面壁。最后，我们模拟了一个自由界面和一个平面壁下的螺旋线的流体动力学，以证明该技术的广泛适用性。
2023-03-30 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Jittery velocity relaxation of an elastic sphere immersed in a viscous incompressible fluid
本文从线弹性力学方程和线性化的纳维-斯托克斯方程出发，研究了弹性球在粘性不可压缩流体中的速度松弛问题。据发现，平移运动后突然的脉冲和旋转运动后突然扭转显示抖动的行为在长时间的制度，与许多逆转的速度，如果球是足够灵活的。在极端的长时间制度的平移和旋转速度松弛功能的每个衰减与一个通用的代数长时间的尾巴。球的附加质量和附加转动惯量为零。
2014-02-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Velocity relaxation of a porous sphere immersed in a viscous incompressible fluid
本文从线性化的纳维-斯托克斯方程出发，引入Darcy型阻力项，研究了球对称聚合物在粘性不可压缩流体中，受到突然小脉冲或突然扭转后的速度松弛问题。对于均匀的可渗透球体，导出了聚合物的平移和旋转速度弛豫函数以及流体流型的显式表达式。令人惊讶的是，发现附加质量消失了。对于相当大的值的球体半径的屏蔽长度的比值表征渗透率的速度松弛函数在短时间和中间的时间制度显着不同的球体与无滑移边界条件。在长时间的松弛函数表现出普遍的幂律行为。
2013-12-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Interplay between optical, viscous and elastic forces on an optically trapped Brownian particle immersed in a viscoelastic fluid
我们提供了一个详细的研究之间的相互作用，出现在布朗运动的一个微米级的球浸没在一个粘弹性流体测量与光阱干涉。为了探索广泛的粘性，弹性和光学力，我们分析了两种不同的粘弹性溶液在不同的浓度，这提供了一个动态的聚合物结构周围的布朗球。我们的实验表明，取决于流体，光学力，即使很小，在低频率下轻微修改的复数模量。根据我们的研究结果，我们提出了一种替代方法来校准这种实验设置时，使用非牛顿流体。理解光学势的影响对于正确解释生物材料和生物物质的基于光学捕获探针的研究所获得的力学性质是至关重要的。
2016-09-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Transport coefficients of solid particles immersed in a viscous gas
研究了固体颗粒在粘性气体中的悬浮输运性质。在这样的系统中的耗散来自两个来源：颗粒碰撞中的非弹性和由于气相对颗粒的影响而引起的粘性耗散。在这里，我们考虑一个简化的情况下，在气相和固相之间的平均相对速度取为零，这样的“热阻力”是唯一剩下的气固相互作用。与之前对阻力的更一般的处理不同[Garzó \emph{et al.}，J. Fluid Mech. \textbf{712}，129（2012）]，这里我们考虑了对（缩放的）传输系数$η^*$的贡献（剪切粘度），$κ^*$（热导率）和$μ^*$（Dufour类系数）来自温度依赖性的（无量纲）摩擦系数$γ^*$表征拖曳力的幅度。在中等密度下，采用Chapman-Enskog方法求解了基于Enskog动力学方程的热阻力模型，并根据恢复系数、固体体积分数和摩擦系数确定了Navier-Stokes输运系数。结果表明，气相对$η^*$和$μ^*$的影响是不可忽略的（特别是在相对稀的体系的情况下），而$κ^*$的形式与在干颗粒极限下获得的形式相同。最后，作为这些结果的应用，流体动力学方程的线性稳定性分析进行了分析的均匀冷却状态的稳定性条件。直接数值模拟的比较表明，一个很好的协议的条件下，实际利益。
2016-01-27 cond-mat.soft
Viscoelastic multiscaling in immersed networks
流变响应是描述软物质的最相关特征。到目前为止，这样的本构关系仍然没有很好地理解在小尺度性能方面，虽然这方面的知识将有助于合成和生物材料的设计。在这里，我们调查，计算和分析，介观尺度的相互作用如何影响粘弹性材料的宏观行为。我们设计了一个粗粒度的方法，可以控制当地的弹性和粘性的贡献。应用分子动力学模拟，我们模仿真正的压痕试验。当弹性力占主导地位时，我们的模型再现了赫兹行为。但是，当摩擦力增加时，它将恢复标准线性实体模型。我们的响应参数取决于微观弹性和粘性的贡献。此外，我们的研究结果还表明，弛豫时间，在松弛和振荡实验中得到的，服从粘弹性材料的普遍行为。
2020-04-05 cond-mat.soft
Dynamic wrinkling and strengthening of a filament in a viscous fluid
我们研究了弹性细丝浸没在粘性流体中以有限速率压缩的螺旋动力学，并结合了几何非线性、弹性和细长体理论。阻力引起长丝的动态横向增强，导致随时间变粗的皱纹的生长。我们发现了一个新的动力学制度，其特征在于一个时间尺度与非平凡的依赖于加载速率，其中的不稳定性的增长是超指数和波数是加载速率的递增函数。我们发现，这个时间尺度可以被解释为特征的时间，在该时间内的长丝从可延伸的过渡到不可延伸的制度。与我们对移动边界条件的分析相反，Biot在无限快加载极限下的分析导致了与速率无关的指数增长和波长。
2017-06-18 cond-mat.soft
Complex dynamics of long, flexible fibers in shear
Tulane University（杜兰大学）；Flatiron Institute, Simons Foundation（西蒙斯基金会平顿研究所）
研究长柔性纤维在剪切流中的复杂动力学行为，通过计算方法揭示纤维旋转、形状演变及多级屈曲和缠绕现象的机制。
2019-03-23 cond-mat.soft cs.NA math.NA
Dynamics of flexible fibers in viscous flows and fluids
浸没的柔性纤维的动力学和变形是重要的工业和生物过程的核心，在包含它们的流体中引起特殊的机械和传输特性，并且是流动控制的新方法的基础。在这里，我们专注于低雷诺数制度，在研究这些纤维流体系统的进展特别迅速。在实验方面，这是由于纤维合成、微流体流动控制和基于显微镜的跟踪测量技术的新方法。同样，在捕捉细长柔性纤维与流动、边界和彼此之间的相互作用所需的专门数学建模和数值方法方面也不断改进。
2019-05-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Geometric Field Theory for Elastohydrodynamics of Cosserat Rods
本文利用Cartan活动标架法将低雷诺数下Cosserat杆的弹性流体动力学方程表述为取值于SE(3)的几何场论，给出等距不变方程、本构可积性条件及小变形梁极限。
2025-10-20 cond-mat.soft math-ph math.MP
A unified operator splitting approach for multi-scale fluid-particle coupling in the lattice Boltzmann method
本文提出了一个统一的框架来导出用于耦合浸没固体和弹性物体到格子玻尔兹曼方法的离散时间推进格式。基于离散Boltzmann方程的算子分裂，推导了浸入边界法、粘性力耦合和外部边界力的二阶时间精度格式。此外，一个修改后的配方的外部边界力的介绍，导致更准确的无滑移边界条件。推导还表明，耦合方法可以统一为一种形式，浸入边界法可以解释为力耦合对消失质点质量的限制。在实践中，流体和颗粒质量之间的比率决定了耦合中力传递的强度。积分方案正式提高了一阶算法的精度，通常采用时耦合浸没的对象的格子玻尔兹曼流体。预计它们还将在模拟具有多个尺度的复杂流体时具有优异的长期稳定性。
2014-06-09 cond-mat.soft physics.comp-ph
An empirical resistive-force theory for slender biological filaments in shear-thinning fluids
许多细胞利用鞭毛丝的弯曲或旋转来在粘性液体中自我推进。虽然适当的理论模型可用于捕获鞭毛在简单的牛顿流体中的运动，但需要强大的计算来从理论上解决它们在复杂的非线性流体中的运动，例如~粘液基于刚性杆在非牛顿流体中的运动的实验测量和经典的Carreau流体模型，我们提出了经典的牛顿连续力理论的经验扩展模型在非牛顿流体中的细长细丝的波动。通过假设鞭毛附近的流动是局部牛顿的，我们提出了一种自洽的方法来估计流体中的典型剪切速率，然后我们使用它来构造牛顿局部阻力系数的校正因子。由此产生的非牛顿连续力理论虽然是经验的，但与牛顿极限和实验是一致的。然后，我们使用我们的模型来解决波动运动在非牛顿流体中，并表明，由此产生的游泳速度系统地降低-一个结果，我们能够捕获渐近和物理解释。最近的实验结果上的运动的秀丽隐杆线虫在聚合物溶液中的模型的应用显示出合理的协议，从而捕捉到的主要物理的剪切稀化流体中游泳。
2017-05-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
The hydrodynamics of slender swimmers near deformable interfaces
本文研究了运动细长微游泳体与分离两个牛顿流体区域的可变形界面之间的耦合流体动力学。从由游泳运动产生的扰动场，我们定量表征的接口变形和耦合修改的microswimmer翻译本身的方式。我们对待的角色的游泳者类型（推和拉），尺寸和模型的接口，可以变形，由于表面张力和弯曲弹性。我们的分析揭示了强烈的依赖性的流体动力学的游泳者的方向和位置。给定两种流体介质的粘度、界面性质和游动体类型，游动体可以根据其配置朝向或远离界面迁移。当游泳者平行于界面定向时，如果其在更粘滞的流体中游泳，则推动器型游泳者在短时间内从界面被排斥。然而，在很长一段时间，推总是吸引界面，拉总是从它排斥。另一方面，垂直于界面取向的游泳者表现出相反的平行游泳者的迁移模式。因此，一个主机的复杂的迁移轨迹出现任意取向的界面的游泳者。我们发现，限制一个游泳者之间的刚性边界和可变形的接口的结果在制度的吸引力对两个表面取决于游泳者的位置在通道中，无关的粘度比。不同的迁移模式是最突出的顺序从接口，细长的游泳者模型产生一个更好的近似耦合流体动力学的游泳者大小的区域。
2022-04-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
The sedimentation of flexible filaments: Trajectories, particle clouds and a buckling instability
在这个流体动力学视频中，我们探索了一系列不同的可能的动态柔性长丝在粘性流体中沉积。与时间相关的形状和轨迹的细丝的确定分析和数值平衡的粘性，弹性和重力在细长体理论为零雷诺数流动。动力学的特点是由一个单一的无量纲的弹性引力数。视频显示了细丝松弛和重新取向的过程，粒子云的形成，最后是屈曲不稳定性。
2013-10-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Coarse-graining the dynamics of immersed and driven fiber assemblies
一类重要的流体-结构问题涉及浸没的柔性纤维的有序阵列的动力学。虽然已经开发了专门的数值方法来研究流体纤维系统，但当存在许多而不是少数纤维时，它们变得不可行，这些方法也不适合于分析计算。在这里，我们介绍了一个粗粒度的连续模型，局部细长体理论的基础上，弹性纤维沉浸在粘性牛顿流体。它采用各向异性Brinkman方程的形式，其骨架阻力与弹性力耦合。该模型有两个显著的优点：（1）悬浮液中纤维的密度效应变得明显，（2）它允许在标准方法无法达到的状态下快速模拟纤维的稠密悬浮液。作为第一次验证，没有拟合参数，我们实现了非常合理的协议与3D浸没边界模拟床锚定纤维弯曲的剪切流。其次，我们描述了密度对振荡剪切下纤维床弛豫时间的影响，并发现完全数值模拟的结果接近一致。然后，我们研究屈曲不稳定性的纤维床，使用我们的模型，数值和分析，以了解纤维密度和结构的屈曲过渡的作用。接下来，我们应用我们的模型来研究流动诱导弯曲的倾斜纤维在一个通道中，最近已经研究作为一个流量整流器，检查床内的内部流动的性质，和出现不均匀的渗透性。最后，我们扩展的方法来研究一个简单的模型的异时波床上的驱动纤维，作为模型的睫状床。我们的模拟再现定性的协调波的压缩通过床的泵送作用。
2019-01-31 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Viscous tweezers: controlling particle orientation with viscosity
本文提出通过动态改变流体黏度各向异性轴来控制粒子取向的“黏性镊子”策略，以图钉形粒子为例，利用闭环反馈实现噪声下的取向控制，可应用于多原子流体和手性活性流体。
2024-11-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Passive viscous flow selection via fluid-induced buckling
本研究通过实验、模拟和理论分析，揭示了浸没在蠕变流中的夹持梁因压力反馈机制发生屈曲，并基于此开发了一种可调谐的被动流动选择器，用于在液压回路中重新引导流动。
2024-07-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Brownian microhydrodynamics of active filaments
在生物、物理和技术背景下，能够在没有外部驱动的情况下在静止流体中自发运动的细长体是常见的。流体的自发流动、布朗运动和物体的弹性之间的相互作用是一个具有挑战性的流固耦合问题。在这里，我们模拟这个问题，近似细长体作为一个弹性细丝，可以施加非平衡速度或应力在流体-结构界面。我们推导出这样一个积极的灯丝的运动方程，通过强制执行动量守恒的流体-结构相互作用，并假设在流体中的缓慢粘性流动。流体-结构相互作用可通过积分方程的解得到，达到任何所需的精度。一个简化形式的运动方程，允许有效的数值解，通过应用Kirkwood-Riseman叠加近似的积分方程。我们使用这种形式的运动方程来研究自由和铰接的最小活动细丝中的动力学稳态。我们的模型提供了基础，研究集体现象的动量守恒，布朗，主动丝悬浮液。
2015-08-12 cond-mat.soft
Catenaries in viscous fluid
这项工作探讨了一个简单的模型，细长的，灵活的结构，在均匀的流动，提供分析解决方案的平移，轴向流动平衡的字符串受到均匀的体力和阻力线性的速度。将经典悬链线推广到五参数曲线族。第六个参数影响曲线中的张力。一般配置是平面的，由单个一阶方程表示的切向角。不同参数的影响，代表性的形状，轨道在角曲率空间，和应力分布。作为限制性情况，解决方案包括对应于“牵引链”的配置以及柔性缆线在高粘性流体中的拖曳、卷绕和沉降。对应于无限长，半无限，和有限长度曲线的参数空间的区域划定。几乎所有曲线的对向角都小于$π$弧度，但在区域之间的边界上会出现具有双倍或无限范围的奇怪特殊情况。单独的过渡张力的行为，和违反直觉的结果，关于有限的牵引张力无限长的电缆，提出。几个物理启发的边值问题的解决和讨论。
2016-01-04 cond-mat.soft physics.class-ph physics.flu-dyn
Finite difference method in prolate spheroidal coordinates for freely suspended spheroidal particles in linear flows of viscous and viscoelastic fluids
本研究提出长旋转椭球坐标系下的有限差分数值方法，精确解析颗粒形状，克服坐标奇异性，可高效模拟不同形状颗粒在多种线性流中的无界粘弹性流体流动，验证结果与现有理论吻合良好。
2023-10-10 cond-mat.soft cs.CE cs.NA
The structure and dynamics of self-assembling colloidal monolayers in oscillating magnetic fields
在所谓的活性流体中，已经观察到许多迷人的现象，例如大规模的集体流动，增强的流体混合和斑图形成。活性流体由能够吸收能量并将其耗散到流体介质中的颗粒组成。对于浸没在液体中的活性颗粒，流体介导的粘性应力可以在集体行为的出现中起重要作用。在这里，我们实验研究它们在自组装磁驱动的胶体颗粒，可以迅速形成有组织的六边形结构的动力学中的作用。我们发现，粘性应力降低六方有序，产生较小的集群，并显着降低团簇形成的速率，同时保持系统在恒定的数密度。此外，我们发现团簇形成的时间和长度尺度取决于梅森数（Mn），或粘性磁力的比例，标度为t / Mn和L / Mn^（1/2）。我们的研究结果表明，粘性应力阻碍集体行为的自组装胶体系统。
2013-11-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Bulldozing an immersed granular material in a confined channel
University of Oxford（牛津大学）；The Australian National University（澳大利亚国立大学）；Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；University of Bristol（布里斯托大学）；University of Cambridge（剑桥大学）；Swansea University（斯旺西大学）
本文针对通道中活塞推压浸没沉积颗粒材料的问题，构建耦合薄膜的降阶连续介质模型，结合数值求解与实验，探究壁面摩擦等因素的相互作用及模型的有效性与局限性。
2026-08-13 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Efficient simulation of filament elastohydrodynamics in three dimensions
粘性流体中细长不可伸展细丝的流固耦合模拟常受到数值刚度的困扰。最近的粗粒化研究已经减少了模拟这样的系统的计算要求，但迄今为止仅限于平面细丝的运动。在这项工作中，我们扩展这样的框架，以灯丝运动在三维空间中，识别和规避坐标系奇点引入灯丝参数化通过反复变化的基础。由此产生的方法，使有效和快速的研究在三维空间中的柔性细丝的运动，并很容易扩展到广泛的问题，包括细丝运动在有限的几何形状，大规模的活性物质模拟，和哺乳动物精子的运动。
2020-10-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Minimal design of a synthetic cilium
该研究提出带曲率相关弯曲刚度的合成纤毛极简设计，证实基部驱动可产生高振幅平面弯曲波，模式类似生物纤毛，为机器人与工程系统应用提供新思路。
2024-12-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Viscous-poroelastic interaction as mechanism to create adhesion in frogs' toe pads
青蛙的趾垫由柔软的六边形结构和包含在六边形结构之间和内部的粘性液体组成。已经假设，这种构造通过允许长范围毛细力，或者可替代地，通过允许液体离开并因此改善趾垫的接触来产生粘附。在这项工作中，我们建议粘度和弹性之间的相互作用作为一种机制，以创建临时粘附，即使在没有毛细效应或范德华力。我们最初通过一个简化的配置实验说明了这一概念，该配置由两个表面连接的液体桥和弹性弹簧组成。然后，我们利用多孔弹性混合物理论和模型青蛙的脚趾垫作为一个弹性多孔介质，沉浸在一个粘性液体和压在一个刚性粗糙表面。表面和趾垫之间的流动由润滑近似建模。惯性被忽略和分析的弹性-粘性动力学产生一个控制偏微分方程描述的流动和应力的多孔介质内。几个解决方案的控制方程，并显示了临时的粘附力，由于在固体之间的接触表面上创建的应力。因此，这项工作可以解释一些青蛙（如激流蛙）如何在水下保持附着力，以及青蛙的脚趾垫在附着到表面期间定期重新定位的原因。
2017-06-09 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Velocity Distributions of Granular Gases with Drag and with Long-Range Interactions
研究了静电驱动下颗粒气体的速度统计特性。对于两个不同的实验：（i）粘性流体中的非磁性粒子和（ii）空气中的磁性粒子，其速度分布为非麦克斯韦分布，其高能尾为指数分布，P（v）~ exp（- |v|）。这一行为与受驱耗散粒子的动力学理论是一致的。对于浸没在流体中的粒子，粘性阻尼是指数尾的原因，而对于磁性粒子，长程相互作用导致指数尾。我们的结论是，速度统计的耗散气体的流体环境和粒子相互作用的形式是敏感的。
2005-07-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Sticking without contact: Elastohydrodynamic adhesion
该研究针对软固体湿粘附缺乏等效理论框架的问题，通过理论分析球体与弹性基底分离的粘性粘附，发现无接触粘附现象及两种相似解，补充了湿粘附理论，对相关应用有参考价值。
2024-09-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Modelling the Fluid Mechanics of Cilia and Flagella in Reproduction and Development
纤毛和鞭毛是活跃的弯曲细长细胞器，执行功能，如运动，喂养和胚胎对称性破缺。我们回顾了粘性主导的微尺度流动的力学，包括时间反演对称性，细长体的阻力各向异性和壁面效应。我们专注于基本力奇异性，高阶多极子，和图像的方法，提供物理洞察力，并形成计算方法的基础。两个生物学问题，然后更详细地考虑：（1）左右对称破缺流的节点，在发展中的脊椎动物胚胎的微观结构，和（2）运动的microswimmer通过非牛顿流体。我们的胚胎节点模型揭示了如何与形态发生颗粒运输调制逐渐出现的纤毛后倾。我们的游泳模型利用符合人体的有限元框架内的力分布，允许非线性无惯性Carreau流的解决方案。我们发现，一个三球模型游泳者和模型精子同样受到剪切稀化的影响;在这两种情况下，由于规定的节拍游泳增强剪切稀化，最佳德博拉数约为0.8。精子表现出一个几乎完美的线性关系之间的速度和零到无限剪切粘度的比率的对数，与剪切增厚阻碍细胞的进展。
2013-09-04 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
