细长杆的泰勒弥散

在流体流动中输运的粒子(如细胞、聚合物或纳米棒)很少是球形的。在本研究中,我们通过数值与理论方法考察了在二维泊肃叶流中受限于一个转动自由度的被动细长布朗粒子初始局域斑块的弥散,表明细长粒子表现出增强的纵向弥散。在剪切流中,杆由于平流与扩散而平移,并由于转动扩散及其经典的Jeffery轨道而转动。增强弥散的幅度取决于粒子的长径比及其剪切诱导转动平流与转动扩散率的相对重要性。当转动扩散占主导时,我们使用杆的方向平均平动扩散率恢复了纵向展宽率的经典泰勒弥散结果。然而,在高剪切极限下,杆倾向于与流动对齐,并最终因其各向异性扩散率而弥散更强。我们受泰勒原工作启发的简单理论极好地捕捉了粒子弥散的蒙特卡洛模拟结果。对于长时间与大佩克莱数,我们推导了一个有效的一维输运方程,其中含有粒子纵向输运速度与弥散系数的积分表达式。对于高长径比粒子,增强的弥散系数可归并到单一曲线上,代表了一个简单的修正因子,将泰勒的原始预测推广到细长粒子。