Slender-ribbon theory
带状物是具有三种不同材料长度尺度（厚度、宽度和长度）的狭长条，这使得它们能够产生线材或长丝无法获得的独特形状。例如，当一条丝带有一半的扭曲，并弯曲成一个圆圈，它产生了莫比乌斯带。在确定带状物的结构形状方面已经做了大量的工作，但对它们在粘性流体中的行为却知之甚少。在本文中，我们确定，渐近，领先阶的流体动力学行为的细长带在斯托克斯流。这个推导让人联想到细丝的细长体理论，它假设带状物的长度远大于其宽度，而宽度本身又远大于其厚度。最后的结果是一个积分方程的力密度的数学直纹面，称为带状平面，位于带内。我们的推导的数值实现显示出良好的协议与已知的流体动力学的长扁椭球体，并成功地捕捉到最近实验探索的人工微观游泳者的游泳行为。我们还研究了弯曲成螺旋线的带状物的渐近行为，即扭曲的椭球体，并且我们研究了带状物的流体动力学如何准确地被细长的细丝有效地捕获。我们的渐近结果提供了必要的基本框架，以预测在各种生物和工程问题的细长带在低雷诺数的行为。
2016-02-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
The slender body free boundary problem
University of Wisconsin - Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本文研究细长体在三维斯托克斯流体中的演化，基于欧拉-伯努利梁理论和细长体Neumann到Dirichlet映射，建立数学框架以支撑细长体理论的理论基础。
2025-09-20 math.AP physics.flu-dyn
Slender body theories for rotating filaments
细长纤维在生物学、物理学和工程学中普遍存在，突出的例子包括细菌鞭毛和细胞骨架纤维。在这种情况下，细长体理论（SBT），它给出了在其细长$ε$的纤维上的阻力渐近，是分析和计算的有用工具。然而，当考虑扭转和横截面旋转时，出现了困难：因为细丝的角速度可以根据所施加的扭矩的数量级而变化，渐近理论必须在角速度的范围内给出旋转动力学的准确结果。在本文中，我们首先调查的挑战，在应用现有的SBT，这是基于奇点或全边界积分表示，旋转灯丝，特别是显示，他们未能始终治疗旋转平移耦合弯曲灯丝。然后，我们提供了一种替代方法，通过一维线积分的Rotne-Prager-Yamakawa正则化奇点近似的三维动力学。虽然不能准确地解决附近的细丝的流场，这种方法给出了一个大的流动性与对称的旋转-平移和平移-旋转耦合，使其适用于广泛的角速度。为了恢复三维细丝几何形状的保真度，我们使用我们的正则化奇异性模型来告知一个简单的经验方程，该方程将沿细丝中心线的平均力和扭矩与截面的平移和旋转速度相关联。在模型中的单个未知系数估计从三维边界积分计算的旋转，弯曲的灯丝数值。
2022-10-10 math-ph math.MP 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 asymptotic coarse-graining formulation of slender-rods, bio-filaments and flagella
主动和被动不可伸展细丝和细长杆的无惯性流体-结构相互作用在自然界中普遍存在，从半柔性聚合物和细胞骨架细丝的动力学到细胞力学和鞭毛。变形的几何形状和控制生物丝动力学的物理相互作用之间的耦合是复杂的。控制方程协商弹性流体动力学与非完整约束的相互作用所产生的细丝inexability。这种弹性流体动力学系统的结构复杂，容易出现数值误差，因此需要惩罚方法和高阶时空传播。这里提出的渐近粗粒化配方利用动量平衡的渐近极限的小棒状元素，集成半解析。这大大简化了弹性流体动力相互作用，克服了以前的数值不稳定性。由此产生的矩阵系统是直接和直观的实现，并允许一个快速和有效的计算，超过一百倍的速度比以前的计划。只需要线性方程组的基本知识，并实现与任何选择的求解器。多杆，布朗聚合物动力学，活性丝和非局部流体力学的复杂相互作用的概括也很简单。我们在生物系统中常见的四个例子中展示了这些，包括细丝和鞭毛的动态。其中三个系统在文献中是新颖的。我们还提供了一个Matlab代码，可以作为进一步概括的基础。
2018-05-02 physics.flu-dyn
The retraction of jetted slender viscoelastic liquid filaments
本研究通过实验证明极稀粘弹性溶液可抑制喷墨打印中的卫星液滴，并发现存在聚合物浓度上下限，回缩速度增强源于弹性张力，揭示了惯性、毛细与粘弹性的相互作用。
2021-10-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
Computational mechanics of soft filaments
柔软的细长结构在自然和人工系统中无处不在，并且可以在从纳米到千米，从聚合物到空间系绳的尺度上观察到。我们提出了一种实用的数值方法来模拟细丝的动态，在每个横截面上，可以经历所有六种可能的变形模式，允许细丝弯曲，扭曲，拉伸和剪切，同时通过肌肉活动，表面接触，摩擦和流体动力学与复杂的环境相互作用。我们检查我们的方法的准确性，通过几个基准问题与已知的解析解。然后，我们展示了我们的方法来解决的能力和鲁棒性的正向问题，在物理和力学有关的螺线管和plectoneme形成扭曲，拉伸细丝，和主动生物物理学的无肢运动在固体表面和散装液体的逆问题。总之，我们的方法提供了一个强大的计算框架来表征柔性主动细长结构的机械响应和设计。
2017-08-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Bending-compression coupling in extensible slender microswimmers
本文通过几何流体力学和微扰展开研究可伸长细长微型游泳体中弯曲与压缩/伸长的耦合，揭示该耦合可产生横向与旋转运动并增强机动性，同时证明李括号贡献对净位移计算的重要性。
2025-04-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
A hydrodynamic slender-body theory for local rotation at zero Reynolds number
细长物体在微尺度流动问题中是常见的，从柔软的可变形传感器到生物细丝，如鞭毛和纤毛。虽然许多研究都集中在这些细长体的局部平移运动，相对较少的关注已给予局部旋转，即使它可以是运动的主要组成部分。在这项研究中，我们探讨了一个经典的动机anananomaly旋转细长体周围的Stokes流通过叠加rotlet奇点，这使得我们提出了一个替代anomaly，占平移和旋转。通过一个渐近分析，是由数值例子支持，我们确定这些流ansatzes捕获的流体速度在细长体的表面的适用性，假设局部轴对称的对象，但允许的横截面半径随arclength变化。除了正式证明所提出的细长体ansatzes，这种分析揭示了一个显着简单的局部角速度和施加在身体上的扭矩，我们称之为阻力矩理论之间的关系。虽然让人想起经典的阻力理论，这种局部关系被发现是代数准确的细长体的纵横比，即使当翻译是存在的，是有效的，并要求每当本地旋转有助于在领先的渐近秩序的表面速度。
2023-02-02 physics.flu-dyn
Slender vortex filaments in the Boussinesq Approximation
本研究拓展细长涡丝运动模型以纳入重力效应，采用Boussinesq近似使密度变化仅出现在重力项中，发现其在渐近展开中阶数更低、对涡丝自诱导速度影响更显著，结果可解释浮力涡环特性并探究重力对大气涡旋的作用。
2024-05-15 math.AP physics.flu-dyn
On an angle-averaged Neumann-to-Dirichlet map for thin filaments
本文研究三维细丝外部 Laplace 方程，将一般弯曲闭合细丝的细长体 NtD 和 DtN 映射分解为直线周期细丝的显式 Fourier 乘子加上关于半径 ε 为低阶的余项，为 Stokes 流问题提供蓝本。
2024-02-25 math.AP math.CA physics.flu-dyn
Synchronized flutter of two slender flags
本文将Lighthill的细长体理论（EBT）和Lighthill的大振幅细长体理论（LAEBT）推广到均匀轴向流中，研究了两个平行细长旗帜的相互作用和同步问题。所提出的方法包括两个连续的步骤，即重建的流动由一个挥舞的旗帜内的LAEBT框架和计算的流体力产生的这种不均匀的流动上的第二个标志。在细长旗帜接近的情况下，尾流的影响对长时间耦合动力学的影响很小，可以忽略不计。这提供了一个简化的框架，扩展LAEBT的耦合动力学的两个标志。使用这个简化的模型，线性和大振幅的结果报告，探索选择的挥舞制度，以及动力学特性的两个并排细长旗帜。观察到的两个标志的流体动力学耦合不稳定的标志，为大多数参数，并诱导长期同步的标志，无论是同相或异相。
2016-06-27 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Vortex filament dynamics and vortex ring motion revisited
University of Exeter（埃克塞特大学）
本文引入关联细长涡面几何的坐标系，建立通用数学框架推导涡运动方程组，用于计算任意轴向流动的细长涡环运动，所得结果与早期研究一致，该框架可用于开发涡运动与相互作用的简化方程。
2026-08-27 math.AP math.DG physics.flu-dyn
Flow Development in the Entrance Region of Slender Converging Pipes
California State University, Northridge（北岭加州州立大学）
本文研究了细长收敛管道入口区域的流动发展，分析了入口雷诺数和收敛角对速度分布和压力降的影响，发现收敛几何形状可显著缩短水动力入口长度。
2026-01-07 physics.flu-dyn
How wavelength affects the hydrodynamic performance of two accelerating mirror-symmetric slender swimmers
该研究通过550个浸入边界数值模拟和符号回归，揭示波长、St与Re对两个反相位并排波动水翼净推力及效率的影响，发现镜像对称集群可产生十倍以上净推力。
2023-07-22 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamic torque on a steadily rotating slender cylinder
使用完全解决的模拟，我们调查所经历的扭矩由一个有限长的圆柱体旋转稳定垂直于其对称轴。纵横比$χ$，即圆柱体的长度与其直径的比率，在1至15之间变化。在蠕动流区，我们采用细长体理论推导出的扭矩的表达式高达4阶相对于小参数$1/\ln(2χ)$。数值结果与相应的预测$χ\gtrsim3$。我们引入了一个\textit{ad hoc}修改的理论预测，以适应与较短的气缸，和第二个修改帐户的扭矩增加有限的惯性效应。在强惯性区域，出现由两对反向旋转涡组成的显著尾流模式。尽管如此，流动仍保持稳定，并呈现两种不同的对称性，其中之一意味着两个气缸端部对扭矩的贡献是相同的。我们建立单独的经验公式的贡献的压力和粘性应力的扭矩所提供的侧表面和缸端。我们表明，在每一个贡献，占主导地位的标度律可以从简单的物理参数推断。这种方法最终导致在整个范围内的惯性制度和纵横比的模拟中考虑的旋转引起的扭矩有效的经验公式。
2021-03-24 physics.flu-dyn
Bundling of elastic filaments induced by hydrodynamic interactions
周毛细菌通过旋转多个螺旋鞭毛细丝在粘性流体中游动。当细菌向前游动时，它所有的鞭毛在细胞后面以螺旋束的形式同步旋转。当细菌改变方向时，鞭毛丝会在短时间内解开并重新定向细胞，然后恢复其捆绑状态并恢复游泳。这种快速成束和解束的核心是一个机械过程，其中流体动力学相互作用与弹性平衡，以确定随时间变化的长丝变形。受此生物物理问题的启发，我们在本文中提出了什么也许是最简单的捆绑模型，其中两个，或多个，直弹性长丝沉浸在粘性流体绕着它们的中心线旋转，诱导旋转流动，往往弯曲的长丝围绕对方。我们推导出一个积分微分方程的形状产生的机械平衡在低雷诺数的粘性流体中的细丝。我们表明，这样的方程可以评估渐近解析的长波长限制，导致一个局部偏微分方程由一个单一的无量纲捆绑数。由模型预测的动态的数值研究揭示了两个配置不稳定性的存在下，随着捆绑数的增加：首先到一个交叉状态，其中长丝在一个点接触，然后到一个捆绑状态，其中长丝缠绕沿彼此在一个螺旋的方式。接下来，我们提供了一个直观的物理模型的交叉不稳定性，并表明，它可以用来预测分析其阈值，并适应于解决过渡到捆绑状态。然后，我们使用一个宏观尺度的实验实施的双灯丝配置，以验证我们的理论预测，并获得良好的协议。
2017-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamic synchronization of spontaneously beating filaments
使用几何反馈模型的鞭毛轴丝占动力蛋白电机动力学，我们研究弹性流体动力学相位同步在一对自发跳动的细丝，波形范围从精子纤毛和衣原体。我们的计算结果表明，在相位和反相位同步可以出现不对称的节拍，而对称的波形去同相，并阐明由于生化噪声相位滑移的机制。模型预测同意最近的实验，并阐明流体力学和机械化学反馈同步的关键作用。
2019-10-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrodynamics of a single filament moving in a fluid spherical membrane
在许多细胞过程中，细胞膜和其他生物界面中的细胞骨架丝和杆状蛋白的动态组织发生。以前的建模研究已经考虑了流体平面膜上的单个杆的动力学。我们将这些研究扩展到更生理相关的情况下，一个单一的灯丝移动在一个球形膜。具体而言，我们使用一个细长体配方来计算的平移和旋转阻力的长度$L$移动的膜半径$R$和二维粘度$η_m$，并包围在其内部和外部的牛顿流体的粘度$η^{-}$和$η^{+}$的单丝。我们首先讨论的情况下，灯丝的曲率是在其最小值$κ=1/R$。我们发现，球形几何形状的有界性引起的流动约束效应，增加的强度与增加细丝的长度膜半径$L/R$的比率。这些限制流仅导致细丝沿其轴向的阻力$ξ_{\parallel}$和其旋转阻力$ξ_Ω$的轻微增加。因此，我们对$ξ_\parallel$和$ξ_Ω$的预测可以定量地映射到平面膜上的结果。当$L/R >1$和最终的$ξ_\perp \to \infty$为$L/R \to π$时，垂直方向的阻力$ξ_\perp$随细丝长度的增加呈超线性增加.接下来，我们考虑细丝的曲率$κ$对其平行运动的影响，同时固定膜的半径。我们发现，周围的流动变得越来越不对称，随着其曲率的增加。这些流动的不对称性在细丝上引起净扭矩，耦合其平行和旋转动力学。随着$L/R$和$κ$的增加，这种耦合变得更强。
2022-06-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamic Instabilities Provide A Generic Route To Spontaneous Biomimetic Oscillations In Chemomechanically Active Filaments
将化学能转化为机械运动的非平衡过程使生物体能够运动。由分子马达的能量转换驱动的一束束不可伸展的细丝形成了像纤毛和鞭毛这样的微米级运动引擎的基本组成部分。在最近的合成活性细丝实验中，纤毛样运动的模仿支持了通用物理机制可能足以产生这种运动的想法。在这里，我们表明，从理论上讲，不受力和无扭矩的化学机械活性流引起的流体动力相互作用的不稳定效应之间的竞争，和非线性弹性的稳定效应，提供了一个通用的路线，主动丝自发振荡。这些振荡，让人想起原核和真核鞭毛运动，而不必调用结构复杂性或生化调节。这种极小性意味着，仿生振荡，以前只观察到复杂的束的活性丝，可以复制在简单的链的通用chemomechanically活性珠。
2013-06-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Flow-induced nonequilibrium self-assembly in suspensions of stiff, apolar, active filaments
粘性流体中的活性体通过自生流流体动力学地相互作用。在这里，我们研究自发聚集诱导的流体动力学流动悬浮液中的刚性，非极性，活性丝。横向流体动力学吸引力在可伸展的细丝导致，独立的体积分数，各向异性的聚集体的平移和旋转弹道。横向流体动力学排斥收缩丝导致，随着体积分数的增加，微结构状态的星，集群，和初期的凝胶，在每种情况下，长丝运动是扩散。我们的研究结果表明，积极的流体动力学流动和各向异性排斥体积相互作用的相互作用提供了一个通用的非平衡机制的分级自组装的活性软物质。
2015-08-19 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamics of bacteriophage migration along bacterial flagella
噬菌体病毒是我们星球上最丰富的实体之一，缺乏独立移动的能力。相反，它们聚集在流体环境中，期待与细菌的随机相遇。一旦它们降落在受害者的细胞体上，它们就能够将它们的遗传物质喷射到宿主细胞内。然而，许多噬菌体首先附着在细菌的鞭毛上。由于不动，这些所谓的鞭毛型细菌仍然能够到达细胞体进行感染，几十年来，它们沿着鞭毛丝向上移动的过程一直引起科学界的兴趣。1973年，伯格和安德森（Nature，245，380）提出了螺母-螺栓机构，其中，类似于能够沿着螺栓移动的旋转螺母，噬菌体将自身包裹在具有螺旋槽的鞭毛丝周围（由于鞭毛蛋白分子的螺旋排列）并利用鞭毛丝的旋转来被动地沿着它移动。这种机制的主要证据之一是细菌物种的突变体，如大肠杆菌，和鼠伤寒沙门氏菌，具有保留螺旋槽结构的直鞭毛丝，仍然可以被它们的相对鞭毛感染。使用两种不同的方法来解决短距离之间的相互作用的鞭毛和鞭毛丝，我们在这里提供了一个第一原理的理论模型适用于具有直鞭毛丝突变体的螺母和螺栓机制。我们的模型是完全分析，是能够预测的速度移位的噬菌体沿鞭毛丝作为一个功能的几何形状的噬菌体和细菌，鞭毛丝的旋转速率，和手性的螺旋槽，并与过去的实验观察是一致的。
2018-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Dynamics of flexible filaments in oscillatory shear flows
柔性纤维和粘性流之间的流体-结构相互作用在各种生物现象、医学问题和工业过程中起着至关重要的作用。特别令人感兴趣的是在随时间变化的流动中自由输送的颗粒的情况。本研究结合微流控实验、数值模拟和理论模型，阐明了振荡剪切流作用下肌动蛋白丝的动力学和形态学。我们的工作表明，在稳定的剪切流，其中小的取向波动从流动对齐状态启动翻滚和变形，周期性的流动逆转允许长丝在每个周期的开始探索许多不同的配置。半周期振荡期间的暗条运动的调查突出了紧急动力学的初始暗条取向的关键作用。这种强烈的方向和变形之间的耦合导致新的变形制度和新的高阶屈曲模式不存在于稳定的剪切流。我们的分析的主要结果是抑制的屈曲不稳定性的振荡频率和初始细丝取向的某些组合的可能性，即使在非常强的流动。我们解释这种不寻常的行为，通过弱非线性朗道理论的屈曲，在该理论中，我们把长丝作为不可扩展的布朗欧拉-伯努利杆的流体动力学描述的本地细长体理论。
2022-05-17 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Active Brownian filaments with hydrodynamic interactions: conformations and dynamics
通过布朗动力学模拟和分析理论，研究了存在流体动力学相互作用的活性自推进纤维/聚合物的构象和动力学性质。在数值上，一个离散的线性链组成的活性布朗粒子，被认为是一个连续的线性半柔性聚合物的主动速度变化扩散。的力自由的活性单体的性质占-没有Stokeslet流体流动引起的主动力-和高阶流体动力学多极矩被忽略。活性过程的非平衡特性意味着通过聚合物弛豫时间对HI的稳态性质的依赖性。特别地，在中等活性下，HI导致柔性和半柔性聚合物的显著收缩，其程度远远超过可比较的自由排水聚合物的收缩;甚至柔性HI聚合物收缩，而活性自由排水聚合物单调溶胀。大的活动意味着再溶胀，然而，在较小的程度上比非HI聚合物，由于流体动力学相互作用的聚合物弛豫时间较短所造成的。聚合物均方位移增强，并出现活性决定的弹道制度。在很宽的时间尺度上，灵活的活性聚合物表现出流体动力学治理subdiffusive制度，与指数显着小于劳斯和Zimm模型的被动聚合物。与模拟相比，近似解析方法预测的流体动力学效应较弱。
2020-08-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Machine Learning Assisted Resistive Force Theory for Helical Structures at Low Reynolds Number
本文提出机器学习阻力理论（MLRFT），通过神经网络结合SBT数据训练局部阻力系数，在保持低计算成本的同时，准确预测低雷诺数下细长杆的流体动力，克服了经典RFT的局限性。
2023-09-13 physics.flu-dyn
Direct vs indirect hydrodynamic interactions during bundle formation of bacterial flagella
大多数能动的细菌通过旋转多个螺旋鞭毛细丝在粘性液体中游动。这些半刚性的细丝重复地连接（“束”）和分离（“解束”），导致细胞的两步法随机行走样运动。在这个过程中，已知细丝之间的流体动力学相互作用起着重要作用，并且可以分为两种不同的类型：通过细丝本身的致动产生的流动介导的直接相互作用，以及通过细胞体的运动介导的间接相互作用（即，由推进引起的游泳框架中诱导的流动）。为了了解这两种类型的相互作用的相对重要性，我们研究了鞭毛捆绑的最小奇异模型。使用流体动力学图像，我们解决了流动分析和计算直接和间接的相互作用，正是作为一个函数的鞭毛丝的长度和它们的角间距。结果表明：（i）仅鞭毛产生的推力就足以通过两种相互作用驱动系统向成束状态运动;（ii）对于长丝状体和宽分离，即成束过程的早期阶段，间接平流占主导地位;和（iii），相比之下，直接相互作用占主导地位时，鞭毛丝在彼此的唤醒，我们数学上。我们进一步介绍了一个数值弹性流体动力学模型，使我们能够计算每个鞭毛丝的螺旋轴的动力学，同时分别分析直接和间接的相互作用。有了这个，我们表明（iv），在捆绑过程中，直接和间接的相互作用之间的平衡的转变是非单调的，在直接优势的峰值，和鞭毛的不同部分受到这些变化在不同程度上。
2020-11-17 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Ferro-hydrodynamics of droplet necking filaments
Hydrodynamics and Thermal Multiphysics Lab (HTML), Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Technology Kharagpur（印度理工学院卡拉格普尔分校机械工程系水动力学与热多物理实验室）
研究通过磁场调控铁流体纤维的细颈和拉伸行为，揭示磁诱导微结构对非牛顿流体特性的影响。
2025-12-22 cond-mat.soft physics.app-ph 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
Shape of a recoiling liquid filament
用解析方法研究了牛顿半无限长液丝的毛细收缩。基于三维轴对称纳维-斯托克斯方程，采用一维自由表面细长圆柱流模型，推导了细丝型线的长时间渐近展开式。分析确定了三个不同的长度和时间尺度区域的收缩域：一个稳定的细丝部分，一个不断增长的球形斑点，和一个中间匹配区。我们表明，液体细丝自然发展沿其表面和颈部背后的斑点的毛细波。我们分析证明，在无粘极限的毛细波的波长约为3.63倍的细丝的半径。此外，波的渐近波长，衰减长度，和最小颈部尺寸的Ohnesorge数进行了分析。最后，我们的研究结果进行了比较，从文献和数值模拟在Basilisk获得一个很好的协议。这一分析提供了一个完整的反冲过程超越了经典的结果，由泰勒和库里克发现的收缩速度。
2019-07-22 physics.flu-dyn
Conformation and dynamics of wet tangentially-driven active filaments
本文通过多粒子碰撞动力学模拟研究湿切向驱动活性聚合物，发现流体动力学相互作用导致构象收缩并显著增强取向和平动动力学，尤其影响高活性半柔性链。
2024-10-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Slender body theory for particles with non-circular cross-sections
本文提出了一种计算非圆截面细长纤维在低雷诺数流体中运动时单位长度上所受力的理论。使用一个经常性的扰动的内部解决方案，我们表明，每单位长度的力有$O(1/ln(2A))$ + $O(α/ln^2(2A))$的贡献驱动的相对运动的粒子和当地的流体速度和$O(α/(ln(2A)A))$的贡献驱动的梯度在施加的流体速度。这里，纵横比（$A=l/a_0$）被定义为颗粒尺寸（$l$）与横截面尺寸（$a_0$）的比率;并且$α$是非圆形扰动的幅度。使用思想实验，我们表明，两瓣和三瓣的截面影响相对运动和速度梯度的响应，分别。二维斯托克斯流计算用于将扰动分析扩展到显著偏离圆的截面（即，$α\sim O(1)$）。我们证明了我们的方法能够准确地计算一个细长的三轴椭球体的平移和旋转阻力。此外，我们说明了新的动力学直杆在一个简单的剪切流，平移和旋转准周期性的，如果他们有两个裂的横截面;和旋转混乱和平移扩散，如果他们有一个组合的两个和三个裂的截面。最后，我们展示了显着的能力，我们的理论，准确地预测环的运动，保持很大的准确性为中等纵横比（$\sim 10$）和截面，偏离一个圆显着，从而使我们的理论计算成本低廉的替代其他斯托克斯流求解器。
2019-09-09 physics.flu-dyn
Multisynchrony in active microfilaments
生物微丝具有多种同步模式。最近的实验观察到，一对分离的真核生物鞭毛，仅通过流体介质耦合，显示同步在非平凡的相位滞后，除了同相和反相同步。使用弹性流体动力学细丝模型结合数值模拟和Floquet型理论分析，我们证明，它是可能的，通过改变细丝的内在活动和两个细丝之间的流体动力学耦合的强度，以达到多个同步状态。然后，我们推导出两个灯丝之间的相位差在弱耦合的演化方程，并使用Kuramoto风格的相位敏感性分析，揭示这些不同的同步状态之间的过渡的分叉的性质。
2020-09-03 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Interaction Between Two Closely-Spaced Waving Slender Elastic Cylinders Immersed in a Viscous Fluid
本文研究了蠕动流场中两个近距离波动弹性圆柱在粘性液体中的相互作用。液压缸在其夹紧端由斜坡的强迫振荡驱动，而在另一端自由。我们得到的相互作用力的表达式，并应用一个渐近展开的基础上的一个小参数表示的弹性变形和圆柱之间的距离之间的比率。首阶解是在两个频率（$ω_1,ω_2$）下的非对称振荡模式，其中气缸被致动。更高阶以作为致动频率的组合的频率振荡，其中第一阶包括$2ω_1,2ω_2,ω_1+ω_2$和$ω_1-ω_2$谐波。对于使用$ω_1= ω_2$的同相驱动，偏转动力学与具有修改的精子数的孤立圆柱体相同。对于含$ω_1\approx ω_2$的配置，由于有效精子数显著较小，因此$ω_1-ω_2$模式代表主要的一阶相互作用效应。实验进行了验证和说明的理论预测。
2016-12-17 physics.flu-dyn
A multiscale biophysical model gives quantized metachronal waves in a lattice of cilia
运动纤毛是细长的、毛发状的细胞附属物，其在内部分子马达的作用下自发地振荡，并且通常以密集阵列被发现。这些活跃的细丝协调它们的跳动，产生异时波，驱动长距离的流体运输和运动。到目前为止，我们对它们的集体行为的理解主要来自于对极小模型的研究，这些模型将相关的生物物理学和细长结构的流体动力学进行粗粒化。在这里，我们建立在一个详细的生物物理模型，以阐明出现在毫米尺度上的超时波从纳米尺度的运动活动内的个人纤毛。我们的研究中存在的流体动力学和空间相互作用的纤毛的一维晶格揭示了如何形成和维持异时波。我们发现，在均匀床的纤毛这些相互作用导致多个吸引状态，所有这些都是由一个整数电荷是保守的。这甚至允许我们设计导致可预测紧急状态的初始条件。最后，非常重要的是，我们表明，在不均匀的纤毛组织，边界和不均匀性提供了一个强大的路线异时波。
2021-08-03 cond-mat.soft physics.class-ph 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
Finite time singularities in a class of hydrodynamic models
考虑了无粘不可压缩流体的模型，其中动能（即，拉格朗日泛函），在3D傅立叶表示中采用形式${\cal L}\sim\int k^α|{\bf v_k}|^2d^3{\bf k}$，其中$α$是常数，$0<α< 1$。与$α=0$（通常的欧拉流体力学）情况不同，$α$的有限值导致奇异冻结涡丝的有限能量。这个属性使我们能够研究这种细丝的动力学，而无需对短尺度进行正则化。对一对反平行涡丝进行了线性分析，发现在小波数时Crow不稳定性的模拟与静止解的小对称偏差有关。得到了该系统非线性长尺度动力学的局部近似哈密顿量。相应的方程的自相似解决方案被发现解析。它们描述了一个有限时间奇点的形成，所有的长度尺度都像$(t^*-t)^{1/(2-α)}$一样减小，其中$t^*$是奇点时间。
2001-04-18 physics.flu-dyn
Wetting and dewetting processes in the axial retraction of liquid filaments
我们研究了在平面和水平基底上的液体细丝的端部区域形成的接触线的运动所涉及的流体动力学机制。由于液流是在部分润湿条件下形成的，因此长丝的尖端后退并形成一个凸起区域（头部），随后在其后面形成一个颈部区域。随后，颈部断裂，形成一个分离的液滴，而长丝的其余部分重新开始该序列。这种流动的一个主要特征是，在大多数液体/基质系统中典型的接触角的滞后强烈影响整个动力学和最终液滴形状。直到破碎的时间演变的实验研究和描绘的混合润湿性理论，其中涉及的Cox-Voinov流体动力学方法结合分子动力学理论开发的布莱克。这个理论的参数是确定为我们的液体/基板系统（硅油/涂层玻璃）。用一个简单的启发式模型描述了收缩细丝的实验结果，并与全纳维-斯托克斯方程的数值模拟结果进行了比较。这项研究是特别感兴趣的上下文中的脉冲激光诱导去湿（PLiD）。
2017-03-15 physics.flu-dyn
Discrete self-similarity in interfacial hydrodynamics and the formation of iterated structures
重复结构的形成，如卫星和亚卫星滴，细丝和气泡，是界面流体动力学中的一个常见特征。在这里，我们进行了计算和理论研究的情况下，它们的起源的薄膜的粘性流体，是不稳定的长程分子或其他力量。我们证明，迭代结构出现的离散自相似性，其中某些模式重复自己，重新缩放，定期在对数时间尺度的后果。结果是具有相似性质的脊和细丝的无限序列。这些离散的自相似的解决方案作为一个霍普夫分叉的结果，从通常的自相似解决方案的字符也被描述。
2017-11-21 physics.flu-dyn
Transportation efficiency of hydrodynamically coupled spherical oscillators in low Reynolds number fluids
本文提出基于球形振子的简化模型，研究低雷诺数流体中流体动力学相互作用对振子链输运效率的影响，发现珠子间流体相互作用增强流动且珠子数量增加可提升输运效率。
2023-04-20 nlin.PS physics.flu-dyn
Bistability in the synchronization of actuated microfilaments
纤毛和鞭毛是微米尺度上生物流体运输和运动的基本构件。它们通常同步跳动，并且可以在相同细胞类型中的不同同步模式之间转换。在这里，我们调查的弹性微丝的行为，从表面突出，并在其基础上由一个配置相关的扭矩驱动。我们认为充分的流体动力相互作用之间和内部的细丝和表面没有滑动。孤立的细丝表现出周期性的变形，随着驱动扭矩的大小增加，波度和频率增加。两个邻近但独立驱动的细丝同步它们的同相或反相跳动。这种同步通过流体动力学耦合和纤维弹性之间的相互作用自动产生。重要的是，同相和反相同步模式在一定范围的驱动扭矩和间隔距离内是可互换的并共存。这些研究结果是一致的实验观察的同相和反相同步的双鞭藻\textit{Chlamydomonas reinhardtii}，并可能有重要的影响，了解生物物理机制之间的过渡多个同步模式。
2017-11-02 physics.flu-dyn
