细菌在时间周期流中阻碍大尺度输运并增强小尺度混合

理解活性流体中被动标量的混合与输运对于许多自然过程（如藻华）和工业过程（如生物燃料、疫苗生产）至关重要。在此，我们通过实验（使用二维时间周期流）和简单模拟，研究了在游泳大肠杆菌稀悬浮液中被动标量（染料）的混合。结果表明，细菌的存在阻碍了大尺度输运并降低了整体混合速率。根据实验测量的速度场计算出的拉伸场表明，细菌活性减弱了流体拉伸并降低了流动的混沌性。模拟表明，这种减弱可能归因于细菌沿高拉伸区域的瞬时积累。染料浓度场的空间功率谱和相关函数显示，标量方差跨尺度的输运也受到细菌活性的阻碍，导致结构的平均尺寸和寿命增加。另一方面，在小尺度上，活性似乎增强了局部混合。一个证据是，空间浓度梯度的概率分布近乎对称，且偏度消失。总体而言，我们的结果表明，活性与流动之间的耦合会对混合和输运产生非平凡的影响。