自推进游泳者的流体动力学相互作用

本文采用直接数值模拟方法研究了自推进粒子悬浮液的流体动力学相互作用，该方法同时求解主体流体和游泳粒子。我们开发了一种改进版的“平滑剖面”方法（SPM），用于模拟作为挤压球（squirmers）的微游泳者，即具有特定表面切向滑移速度的球形粒子。这种简化的游泳模型可以表示不同类型的推进方式（拉曳型和推曳型），因此非常适合研究游泳者之间的流体动力学相互作用。我们利用 SPM 研究了由粒子游泳运动引起的扩散行为，并表明有两种基本机制负责此现象：由粒子挤压运动引起的流体动力学相互作用，以及粒子 - 粒子碰撞。这种双重性质产生了两个不同的时间和长度尺度，从而产生两个扩散系数，我们通过对游泳运动的适当分析获得了这些系数。我们表明，游泳者之间的碰撞可以用二元碰撞来解释，其中由于粘性流体中游泳粒子的碰撞动力学，有效碰撞半径减小。在短时间尺度上，游泳者的动力学类似于游泳悬浮液中的惯性示踪粒子，其扩散运动由流体 - 粒子碰撞引起。我们的结果连同我们引入的模拟方法，将有助于我们更好地理解自推进游泳者复杂的流体动力学相互作用。