趋化细菌产生的三维生物对流中的模式波长与输运特性

我们对氧反应性趋化细菌产生的生物对流进行了三维数值模拟。本研究调查了生物对流模式、羽流间的干涉以及生物对流模式的波长。此外，我们阐明了生物对流中细胞和氧的输运特性。悬浮液中产生多个羽流，细胞在羽流周围形成三维生物对流，并伴随有涡环。即使在高瑞利数下的生物对流受到扰动，该生物对流对扰动也具有很强的稳定性，模式不会因扰动而改变。生物对流会根据细菌和氧的物理性质而变化，特别是细菌的耗氧速率会显著影响生物对流的强度。对于不同的瑞利数或细胞浓度的初始扰动，会形成具有不同羽流排列和形状的生物对流模式。因此，模式的波长也会变化。随着瑞利数的增加，模式波长的缩短加强了羽流间的干涉，使得上升流和下降流的速度都增加。许多细胞位于羽流下方，这些区域产生强剪切流。随着模式波长的减小，细胞受到高剪切应力的影响。然后，整个悬浮液的对流输运增强，细胞和氧的输运特性得到改善。当腔体边界改为侧壁时，细菌会附着在壁面上，羽流沿侧壁规则排列。