湍流流动中自旋转微运动员的取向动力学

我们通过使用直接数值模拟 (DNS) 研究了在均匀各向同性湍流中悬浮的自旋转微运动员的动力学。这些运动员由三个无量纲参数描述: 其长宽比 ($\gamma$)、无量纲游动速度 ($\phi$) 以及无量纲重定位时间 ($\psi$)。强自旋转 (较小的 $\psi$) 促进运动员的垂直对齐，而弱自旋转则导致几乎各向同性的取向。在游动数较低时，取向分布主要与形状无关，球形和椭圆体显示略微更大的垂直对齐，而棒状体则表现为此类行为。在游动速度较高时，分布的峰值显示出较强的形状无关性，而尾部则清晰显示出粒子形状的依赖性。然而，在较大的 $\psi$ 下，棒形运动员 exhibit 更强的垂直方向对齐。我们观察到在较小的 $\psi$ 时，棒形运动员对剪切做出反应，通过与应变率张量的拉伸方向对齐；而在较大的 $\psi$ 时，倾向于与涡旋向量对齐。取向自相关函数发现指数衰减，衰减率随 $1/(2\psi)$ 比例。对均方位移 (MSD) 的分析揭示了从短时间的球性运动到较长时间的扩散 regime 的转变。为评估垂直迁移效率，我们计算了固定时间间隔内垂直位移的概率分布以及迁移特定垂直距离所需的时间。此外，我们还使用用于球形运动员的简化二维模型，对完整三维 (3D) 模拟中观察到的关键趋势进行定性再现。