微型游泳者-示踪粒子相互作用的格子玻尔兹曼模拟

在由自驱动粒子（如游动的微生物）和被动示踪粒子组成的系统中，与等效的“干”样品相比，流体动力学相互作用对示踪粒子的动力学具有显著影响。然而，由于计算成本高昂，此类相互作用通常难以在模拟中加以考虑。在此，我们使用一种高效的基于力/反力的格子玻尔兹曼 (LB) 算法 [J. de Graaf~\textit{et al.}, J. Chem. Phys.~\textbf{144}, 134106 (2016)] 对游泳者-示踪粒子相互作用进行了系统研究，以验证其捕捉相关低雷诺数物理现象的能力。我们表明，无论是在具有周期性边界条件的系统中，还是在无滑移壁面的球形腔体中（我们在此推导了其表达式），LB 算法都能很好地重现远场理论结果。LB 算法的力-格子耦合导致流场被“抹平”，这在游泳者-示踪粒子距离较近时强烈扰动示踪粒子轨迹，我们分析了如何使用简单的重整化流体动力学理论来准确捕捉这一效应。最后，我们表明，在使用 LB 算法模拟自驱动粒子系统时必须谨慎，因为其有限的动量传输时间可能导致与基于 Stokes 流动的理论预测产生显著偏差。这些见解对于未来使用这些方法研究大规模微型游泳者悬浮液应具有参考价值。