鲹科游泳者中流体动力学有利的鱼群配置：来自流动物理学信息模型的洞见

论生物游泳者的形态和运动学在其尾流中气味扩散与抑制中的作用

On the role of morphology and kinematics of biological swimmers to spread and suppress their odors in the wake

本研究通过高保真三维流体动力学模拟，探究鱼类形态与运动对尾流气味扩散的影响，发现运动学（而非形态）主导气味输运，鳗鲡式运动的气味轨迹更宽更持久，为仿生机器人化学探测设计提供依据。

最佳波动游泳为一个单一的鱼一样的身体和一对相互作用的游泳者

Optimal undulating swimming for a single fish-like body and for a pair of interacting swimmers

我们建立通过数值模拟条件为一个单一的鱼，和一对水动力相互作用的鱼，占线性和角反冲的最佳波动推进。我们首先采用系统的2D模拟，以确定条件的最小推进功率的自推进鱼，并继续有针对性的3D模拟的一个像达尼欧鱼。我们发现Strouhal数、尾缘垂荡与俯仰的相位角和迎角是主要参数。角反冲对效率有显著影响，而优化的机身弯曲要求后缘上游的最大弯曲幅度。对于2D模拟，施加变形的基础上测量的位移carangiform游泳提供了40%的效率，这增加了优化的配置文件，以57%;对于3D鱼，相应的增加是从22%到35%;所有在雷诺数5000。接下来，我们转向两个水动力相互作用的鱼的2D模拟。我们发现，上游的鱼的利益大力只有很小的距离。相反，下游的鱼可以受益于任何位置，允许与上游尾流的相互作用，提供其身体运动是适当的时间相对于迎面而来的涡流。对于直列配置，相距一个体长，下游鱼类的最佳效率可以增加到66%;对于偏置布置，它可以达到81%。这证明，在鱼群中，下游鱼可以通过与迎面而来的涡流的相互作用来实现能量节省，即使下游鱼直接位于上游鱼的射流状流内。

Fast Aquatic Swimmer Optimization with Differentiable Projective Dynamics and Neural Network Hydrodynamic Models

Aquatic locomotion is a classic fluid-structure interaction (FSI) problem of interest to biologists and engineers. Solving the fully coupled FSI equations for incompressible Navier-Stokes and finite elasticity is computationally expensive. Optimizing robotic swimmer design within such a system generally involves cumbersome, gradient-free procedures on top of the already costly simulation. To address this challenge we present a novel, fully differentiable hybrid approach to FSI that combines a 2D direct numerical simulation for the deformable solid structure of the swimmer and a physics-constra…

类似金枪鱼的游动者体验流体介导的稳定并排形成

Tuna-Like Swimmers Experience a Fluid-Mediated Stable Side-by-Side Formation

基于金枪鱼的生物机器人通过流体通道效应实现稳定并排游动，其稳定性不受相位同步影响，且对运输成本影响较小。

扁球体圆型游动者的同步向列和反同步向列排列

Synchro-nematic and -antinematic ordering of spheroidal circle swimmers

研究手性游动者集体排列，用动力学理论分析其内在旋转等相互作用，揭示单个游动者形状和驱动各向异性如何决定结果，发现不同同步态致集体相，如同步向列/反同步向列序等

Hydrodynamics of chiral squirmers

Many microorganisms take a chiral path while swimming in an ambient uid. In this paper, we study the combined behavior of two chiral swimmers using the well-known squirmer model taking into account chiral asymmetries. In contrast to the simple squirmer model, which has an axisymmetric distribution of slip velocity, the chiral squirmer has additional asymmetries in the surface slip, which contribute to both translations and rotations of the motion. As a result, swimming trajectories can become helical and chiral asymmetries arise in the ow patterns. We study the swimming trajectories of a pair …

游动粒子的受限悬浮动力学

Dynamics of confined suspensions of swimming particles

低雷诺数直接模拟大人口的流体动力相互作用的游泳粒子之间的平面壁进行。模拟的结果进行了比较，与一个理论，描述稀释悬浮液的游泳者。该理论产生缩放与浓度的扩散系数和速度波动，以及流体速度的空间自相关函数的预测。即使对于不相关的游泳者，该理论也预测了附近流体元素之间的相互关系，这些流体元素对应于流体中的漩涡状旋转运动，其长度尺度由游泳者的大小和狭缝高度设定。非常相似的结果出现从充分的模拟表明，无论是相关的运动的游泳者是不显着的浓度考虑或流体相的自相关性不是一个敏感的措施的相关运动。这一结果与无约束系统的结果形成鲜明对比，对于无约束系统，流体自相关捕获大规模集体流体结构。由限制引入的附加长度尺度（屏蔽长度）似乎阻止了这些大尺度结构的形成。

各向异性活性物质的格子Boltzmann流体力学

Lattice-Boltzmann Hydrodynamics of Anisotropic Active Matter

存在过多的活性物质模型来描述自推进粒子（或游泳者）的行为，包括有和没有流体动力学。然而，很少有研究考虑形状各向异性游泳者，包括流体动力学的相互作用。在这里，我们介绍了一个简单的方法来模拟自推进胶体相互作用的流体动力学在粘性介质中使用格子玻尔兹曼技术。我们的模型是基于树莓型粘性耦合和力/反力的形式主义，确保系统是免费的。我们考虑了几个各向异性的形状，并描述其流体动力学多极流场。我们证明，形状各向异性可以导致存在一个强大的四极和八极矩，除了主偶极矩。模拟和表征这些高阶矩的能力将被证明是理解模型游泳者在限制几何形状中的行为的关键。

微型游泳者碰撞障碍物的几何捕捉与逃逸

Geometric capture and escape of a microswimmer colliding with an obstacle

最近的实验的动机，我们认为附近的一个静止的球形障碍物的微型游泳者的流体动力学捕获。模型方程的模拟表明，游泳者接近一个小的球形胶体是简单的散射。相反，当胶体大于临界尺寸时，它就像一个被动的陷阱：游泳者沿着封闭的轨道被流体动力学捕获，并围绕胶体球无休止地运行。为了获得物理洞察到这个流体动力散射问题，我们解决它解析。我们提供的临界捕获半径，深度的“盆地的吸引力，”和散射角，这与我们的数值结果显示出很好的协议的表达式。我们还证明和合理化的强烈影响游泳流的对称性上的捕获效率。最后，我们给游泳者一个机会，通过考虑布朗，或积极的，扩散的影响，逃脱胶体陷阱。我们表明，在某些情况下，捕获时间是由一个Ornstein-Uhlenbeck过程，这导致在捕获时间分布，是很好地近似为逆高斯。预测再次与数值模拟相比非常有利。我们设想的应用程序的理论，生物修复，微生物分选技术，并在异质性或多孔环境中的细菌种群的研究。

刚性球形微游泳者的流动特性和水动力相互作用

Flow properties and hydrodynamic interactions of rigid spherical microswimmers

我们分析了一个极小模型的刚性球形微型游泳者，并探讨其扩展表面的影响，其自推进和流动特性之间的相互作用。该模型是一阶表示的微型游泳者，如细菌和藻类，具有刚体和柔性推进附件。在有限的距离，这样的microswimmer的流场显着不同的点力（Stokeslet）偶极子。对于悬浮的microswimmer，我们推导出的大流动性矩阵，连接到一个单独的游泳运动的主动和被动的力和力矩作用在所有的游泳者。我们的流动性张量的调查表明，刚体microswimmer之间的流体动力学相互作用有很大的不同，从相应的点力偶极子。我们的研究结果是相关的集体行为的流体动力学相互作用的微型游泳者的斯托克斯动力学模拟在中等浓度的研究。

A simple catch: thermal fluctuations enable hydrodynamic trapping of microrollers by obstacles

It is known that obstacles can hydrodynamically trap bacteria and synthetic microswimmers in orbits, where the trapping time heavily depends on the swimmer flow field and noise is needed to escape the trap. Here, we use experiments and simulations to investigate the trapping of microrollers by obstacles. Microrollers are rotating particles close to a bottom surface, which have a prescribed propulsion direction imposed by an external rotating magnetic field. The flow field that drives their motion is quite different from previously studied swimmers. We found that the trapping time can be contro…

建模流体动力学尾流对大规模鱼群动力学模型的影响

Modeling the effect of hydrodynamic wakes in dynamical models of large-scale fish schools

本研究提出一种结合鱼体势流与涡旋尾流的水动力学鱼群模型，通过高保真模拟参数化，发现尾流涡旋在社交力弱时增强鱼群组织性。