受迫与无受迫自泳粒子的动力学

化学活性或自泳粒子在各向同性发射或吸收溶质分子时，当活性超过临界 Péclet 数（$Pe$）会发生自发自推进。本文中，我们使用基于谱元的方法对处于非定常直线平移中的刚性球形自泳粒子进行数值计算。粒子可自由悬浮（或“无受迫”）或受外力场作用（或“受迫”）。无受迫粒子的运动随 $Pe$ 增大经历四个 regime：静止、稳态、搅拌与混沌。粒子在静止 regime 中静止，溶质分布关于粒子各向同性。在 $Pe=4$ 时溶质分布的前后对称性破缺，导致其稳态自推进。我们的计算表明自推进速度在自推进起始附近随 $Pe-4$ 线性标度，与先前研究预测一致。进一步增大 $Pe$ 在 $Pe\approx27$ 产生搅拌 regime，流体发生回流而粒子基本静止。当 $Pe$ 再增大时，粒子动力学在 $Pe\approx55$ 及更高处呈现混沌振荡，我们以粒子的均方位移与速度自相关刻画之。我们对弱外力下自泳粒子的结果同近期渐近预测（Saha, Yariv, and Schnitzer, J. Fluid Mech., vol. 916, A47, 2021）吻合良好。此外，我们证明外力强度与时间调度可被调节以调制大 $Pe$ 下的混沌动力学。