微游动子悬浮液中的活性湍流——主动水动应力与体积排斥的作用

微游动子表现出一种引人入胜的高度动态的集体运动，伴随大尺度涡旋与流动图案，被称为活性湍流——令人联想到经典高雷诺数水动湍流。人们已采用多种实验、数值与理论方法来阐明其与惯性水动湍流及活性湍流的异同。这些研究揭示了活性介观系统广泛可能的结构与动力学行为，未必与 Kolmogorov-Kraichnan 湍流理论一致。我们利用嵌入介观流体中的 squirmer（由多粒子碰撞动力学(MPC)方法建模）来探究细菌型微游动子的集体行为。我们的模型包含由推进产生的主动水动应力，以及鞭毛细菌特有的 rotlet 偶极子。我们发现依密度、主动应力与 rotlet 偶极子强度的不同，会出现涌现团簇、活性诱导相分离与集群。对集群相中 squirmer 动力学的分析给出了 Kolmogorov-Kraichnan 型水动湍流与能谱（在足够高浓度与强 rotlet 偶极子下）。这强调了流体流场对集群与细菌湍流的首要重要性。