生物过滤与保护层附近的三维低雷诺数流动
流体动力学
2018-09-19 v1 定量方法
摘要
介观尺度的过滤与保护层在自然界中随处可见。在体内，细胞外蛋白、微绒毛和纤毛的阵列可同时作为保护层和机械传感器。例如，流经内皮表层的血流剖面决定了内皮细胞所感受的剪切应力大小，并可能改变分子进出细胞的速率。因此，表征流经此类层的流动剖面对于理解此类阵列在细胞信号传导和分子过滤中的功能至关重要。外部过滤层对许多动物和植物也很重要。毛状体（植物上的毛发或细嫩突起）可剧烈改变叶片表面附近的平均风速和剖面，影响养分和热量交换的速率。本文中，使用动态缩放物理模型来研究代表此类过滤和保护层的圆柱阵列外部的流动剖面。此外，采用浸没边界法（Immersed Boundary Method）进行数值模拟以解析层内的三维流动。实验与计算结果同通过将层建模为均匀多孔介质且层上有自由流动而获得的解析结果进行比较。实验结果表明整体流动可由简单解析模型很好描述。数值结果表明层内空间平均流动可由Brinkman模型很好描述。数值结果还表明流动可高度三维化，流体进出该层。这些效应未被Brinkman模型描述，并且对于生物学相关体积分数可能显著。本文结果可用于理解此类结构的密度和高度变化如何改变剪切应力和整体流动。
引用
@article{arxiv.1709.05001,
title = {Three-dimensional low Reynolds number flows near biological filtering and protective layers},
author = {W. Christopher Strickland and Laura A. Miller and Arvind Santhanakrishnan and Christina Hamlet and Nicholas A. Battista and Virginia Pasour},
journal= {arXiv preprint arXiv:1709.05001},
year = {2018}
}
备注
28 pages, 10 figures