粘性流体中旋转螺旋的动力学

我们研究了粘性流体中一对刚性旋转螺旋的动力学，将其作为细菌旗鞭束的模型原型，用于微流体泵。通过实验结合水动力建模，我们检讨了螺旋间距和相位差对其扭矩、流场和流体输运能力在低雷诺数下的影响。当螺旋以恒定角速度旋转且同相时，水动力耦合会减小扭矩；但若异相旋转则增加扭矩。我们识别出一个临界相位差，在此相位差下尽管螺旋间距很小，水动力耦合仍然消失。我们构建了一个简单模型，基于单个螺旋的流动特征和位置，定量预测了螺旋对在无限和限域系统中的扭矩。最后，我们展示了间距和相位差对轴向流量和泵效率的影响。我们的发现阐明了细菌旗鞭的功能，并为高效低雷诺数泵的设计提供了原则。