漂浮粘性薄膜中的活性地毯
流体动力学
2024-04-12 v1 软凝聚态物质
摘要
地球的水生环境本质上是分层系统,各层之间的界面作为微生物游泳者的生态位,形成被称为活性地毯(AC)的群落。先前的理论研究探讨了在半无限流体介质中由 AC 产生的水力学涨落,证明了它们增强水生系统中热扩散和质量输运的能力。然而,对于生活在受限分层环境(如漂浮在水体上的浮油)中的 AC 的流体动力学和影响,人们知之甚少。在本研究中,我们报告了由几何限制在自由表面和以流体粘度跳跃为特征的流体-流体界面之间的 AC 诱导的水力学涨落的新解。结合理论和数值实验,我们研究了受限薄流体环境中生物源水力学涨落的拓扑结构。我们揭示,在这一薄层内,AC 塑造了三个特征区域:区域 I 是最靠近 AC 和流体-流体界面的区域,此处水力学涨落以垂直方向为主;区域 II 位于 AC 上方更远处,其特征是各向同性的水力学涨落;区域 III 是最远的区域,靠近自由表面,以水平流涨落为主。我们证明,这些区域的范围强烈依赖于受限程度,即层厚度和粘度跳跃的强度。最后,我们表明,限制促进了容纳 AC 的层内大尺度流结构的出现——这在以前未曾报道过。我们的发现揭示了漂浮粘性薄膜生物系统中限制与流体动力学之间的复杂相互作用,为从生态保护到仿生工程等领域提供了有价值的见解。
引用
@article{arxiv.2404.07856,
title = {Active Carpets in floating viscous films},
author = {Felipe A. Barros and Hugo N. Ulloa and Gabriel Aguayo and Arnold J. T. M. Mathijssen and Francisca Guzmán-Lastra},
journal= {arXiv preprint arXiv:2404.07856},
year = {2024}
}