利用浸没边界法模拟生物膜的变形与脱落
流体动力学
2016-11-01 v1
摘要
我们应用浸没边界 (IB) 方法模拟了周期性排列的壁面受限生物膜群落在线性剪切流作用下的变形与脱落。生物膜材料被表示为沿生物膜区域三角剖分边缘放置的胡克弹簧网络。生物膜群落上的界面剪切应力、升力和阻力是使用 Williams, Fauci 和 Gaver [Disc. Contin. Dyn. Sys. B 11(2):519-540, 2009] 开发的流体应力跳跃方法计算的，并采用了其排除过滤器的修改版本。我们的脱落判据基于一个新颖概念：在生物膜中每个 IB 点定义的平均等效连续介质应力张量，该张量用于确定相应的 von Mises 屈服应力； wherever 该屈服应力超过给定的临界阈值，与该节点的连接即被切断，从而标志着脱落事件的开始。为了捕捉生物膜群落在不同生长阶段的变形和脱落行为，我们考虑了四种具有不同长宽比的生物膜形状族。我们的数值模拟重点关注弱生物膜（具有相对较低的屈服应力阈值）的行为，并研究了流固相互作用的特征，如最大剪切位置和阻力增加。这项工作最重要的结论是，生物膜模型中仅基于界面剪切应力的常用脱落策略，在应用于研究弱生物膜的剪切诱导脱落时，可能导致不正确或不准确的结果。我们基于等效连续介质应力的脱落策略提供了一个统一且一致的 IB 框架，能够处理生物膜脱落的剥落和侵蚀模式，并与许多其他基于连续介质的生物膜模型中采用的策略相一致。
引用
@article{arxiv.1501.07221,
title = {Simulating biofilm deformation and detachment with the immersed boundary method},
author = {Rangarajan Sudarsan and Sudeshna Ghosh and John M. Stockie and Hermann J. Eberl},
journal= {arXiv preprint arXiv:1501.07221},
year = {2016}
}